智慧應用 影音
2022/12/16
牟金祿
掌中牟的永續新知/鈉電池取代鋰電池統治電動車,顛覆還是炒作?(下)
三、關於負極材料,鋰離子電池的負極材料是石墨,鈉離子由於尺寸大,無法嵌入石墨中,如果要用石墨則必須提高石墨的層間距離,此舉顯然會增加製造成本,同時降低負極的結構穩定性,而且技術可行性低。鈉離子電池最好的負極材料是無定形碳,分為硬碳(難石墨化碳材)和軟碳(易石墨化碳材),硬碳被認為是最好的負極材料,其在鈉離子電池的單位能量密度比較高,約為200~450 mAh/g,而石墨在鋰離子電池的能量密度為375 mAh/g,性能上是可以互相媲美的。惟其價格很高,大約在10萬至20萬美元/噸之間,這是鈉離子電池往後在普及化時需要進行成本優化的一個關鍵。(請參考表3)表3. 負極材以硬碳為主流(b)石墨:3~7萬美元/噸;硬碳:日本進口約20萬美元/噸。四,關於鈉離子電池的性能,它沒有「過放電」的問題,理論上可以放電到0 volts. 而鋰離子電池是不能夠被完全放電的,如果鋰離子完全脫出,那麼負極石墨的層間結構可能會坍塌影響鋰離子的二次嵌入。其次是鈉離子電池低溫性能是遠優於鋰離子電池,在零下20度依然保持90%以上的供電保持率,在零下40度依然還有70%以上的保持率,在冬天裡電動車的無法續航問題將不復見。五、鈉離子與鋰離子電池的「電解液」相同,都是採用碳酸酯類的有機溶劑,但是「電解質」的選擇就有所區別,鈉離子電池同樣也可以採用類似於鋰離子電池的六氟磷酸鋰,採用六氟磷酸鈉。目前產業都在推行電解質的無氟化,鈉離子電池可以採用成本更低的高氯酸鈉。氯酸鈉也一直是被視為鈉鋰離子電池的標準鹽且非常的便宜,對於大規模儲能的應用來說的是非常合適的。但是因為高氯酸鹽是強氧化劑,溶於有機物質會產生強烈的化學反應,所以無論是高氯酸鈉還是高氯酸鋰都還沒有真正成為電解質的首選。六、前面我們提及鈉離子電池的電導率更高,擴散能力更強,此即意味著他的倍率性能越好(C-rate),現在的鈉離子電池至少具備3C的充放電倍率,功率輸出會更強,大功率快充速度也會更快。但能量密度是比較關鍵的因素,如果能量密度也低的話,為了實現同樣的續航力,可能要多增加幾個模組。鈉是週期表第11號元素,原子量是22.9g/mole,它在氧化還原反應中只能攜帶一個電荷,與鋰元素為6.9g/mole的原子量攜帶一個電荷相比顯然不佔優勢。從實際產品來看到鈉離子電池目前能量密度普遍在100~150Wh/kg左右,鋰離子電池為120~180Wh/kg,彼此間還是有差距的。但是隨著對於正極材料的開發,鈉離子電池能量密度們也會持續提升,如果能夠做到跟磷酸鐵鋰一個水準,應該就具備了獨立驅動電動車的資格。七、未來的策略是要把鈉離子電池與鋰離子電池集成起來,組成一個混合電池來間接降鋰離子電池的成本,在可見的一段時間內,大家應該還是不放心純粹使用鈉離子電池來驅動車輛的。再考慮安全性能這一點,鈉離子電池遭遇短路時瞬間發熱量比鋰離子要小溫升較慢,因此相對安全一點。此外,鈉鋰離子產生枝晶的概率相對較低,所以能進一步增強安全性,但是負極上被還原出來的金屬鈉如果遇水的話也會引起起火爆炸,所以它只是相對安全一些。整體來說鈉鋰子電池在正負極材料電解液的研究上,還有很多的節點需要進行優化,當然這個難度主要體現在動力電池的運用上。如果是大規模儲能系統的話,成本是第一要素,此時他它的競爭對手是鉛酸電池而不是鋰離子電池,筆者的結論是比較保守的,我不認為鈉離子電池能夠取代鋰離子電池,與鋰離子電池的搭配使用來降低整個電池組的成本反而較為可行。(圖2)圖-2. 鈉電池未來應用場景,取代鉛酸電池後續切入儲能與低速輕型電動車市場一個重要觀點是:動力電池之間競爭的核心一定是性能而不是成本,一定是先有性能再降低成本,而不是先降低成本再來提高性能。 如果僅僅為了成本而放棄性能,這就有點本末倒置了。本文參考Youtube「大劉科普」資料,並感謝林琮祐先生提供第四屆產業論壇電「池技術發展與佈局」相關資料供參考。以下提供鈉離子產業鏈及上下游供應鏈(a),供參考。  
計算機作業系統的誕生
計算機能變得很好用,編譯器(Compiler)及作業系統(Operating System)的發展功不可沒。作業系統管理計算機或行動裝置的軟體和硬體功能,讓所有應用和程式能順暢運行。桌面運算裝置最常用的作業系統包括微軟(Microsoft) Windows及蘋果(Apple) macOS。這些作業系統的功能複雜,很多原理歸功於1960年代電腦科學家的努力。1965年時,貝爾實驗室(Bell Labs) 、奇異電子(General Electric)和麻省理工學院(MIT)合作建立一套多使用者(Multi-user)、多工(Multi-processor)、多層次(Multi-level)的作業系統,稱為MULTICS, 主要貢獻者是「分時處理作業系統」之父柯巴托(Fernando José "Corby" Corbató, 1926~2019)。因計畫的工作進度延遲嚴重,MULTICS在1969年終止。當時參與計畫的湯普森(Ken Thompson) 在MULTICS寫了一款電動遊戲程式「星際旅行」(Space Travel)。在MULTICS打烊後,為了能繼續玩這個遊戲,湯普森找來瑞奇(Dennis MacAlistair Ritchie, 1941~2011),發展出一套更有效率的作業系統,稱為Unix。這套作業系統後來成為主流,廣泛的被各種電腦採用。在Thompson 及 Ritchie獲得圖靈獎(Turing Award)的次年(1984年),貝爾實驗室的技術期刊《AT&T Bell Laboratories Technical Journal》編輯一期特刊,專門討論UNIX系統。1984年這一期特刊,具有紀念性,成為我的珍藏版。為此特刊撰文的作者都赫赫有名。當中寫Preface的 Robert L. Martin 是我在Bellcore時的大老闆,而Robert H. Morris則為現任IBM的全球服務副總裁,他於2010年來台灣,頒發IBM Faculty Award 給我。近年來,超級電腦業者打破「高速計算」必須透過一部高速運轉的超級電腦來執行計算工作的思維,而作業系統更加重要。2008年4月克雷公司(Cray Inc)開始與英特爾技(Intel)術合作,用Xeon處理器及刀鋒系統設計來打造超級電腦,稱為Cray CX1。這種蛻變的高速計算,稱為「高階計算」(High-end Computing)。以多部CPU進行高階計算,原理是平行理論(Concurrency Theory),早期的主要貢獻者是米爾納(Arthur John Robin Gorell Milner, 1934~2010)。我於2014~2016年間在科技部督導超級電腦的建置,了解其技術的複雜度,更能體會過去計算機先驅者的貢獻。 
2022/12/15
牟金祿
掌中牟的永續新知/鈉電池取代鋰電池統治電動車,顛覆還是炒作?(上)
2022年12月上旬多則報導寧德時代擬於2023年量產鈉離子電池,似乎其效能已可與鋰離子電池並駕齊驅,又頗具價格競爭力,鈉離子電池會不會取代鋰離子電池統治電動車市場,市場是否要變天了?以下我們來深入瞭解鈉電池的各項指標。中國企業如寧德時代,國軒高科、憶緯鋰能、比亞迪等都在研究鈉離子電池;甚至已有幾家企業準備量產,筆者覺得即使真的那麼快能夠裝上電動汽車,但要能獨立驅動電動車還是有一段距離,那為什麼鈉電池會突然這麼火紅呢?鈉離子電池火紅的原因有三:電池級的碳酸鋰價格持續高漲,且價格掌握在產出國手中,中國70%以上的鋰依賴進口,因此有必要尋求一個觸手可及且平價替代產品。鈉鋰子電池與鋰離子電池基本原理上可以說是相當雷同,現有的鋰離子電池技術體系絕大部分是可以平移到鈉鋰子電池的,比起開發一個全新的電池,其成本更低耗時更短。目前鋰電池的安全性及部分缺點,似乎可經由鈉鋰子電池來徹底規避或克服,綜合考量其技術可行性與成本差異,與其死守鋰離子電池,不如換條途徑。鋰離子與鈉離子電池可以說是一對孿生兄弟(請參考鈉電池工作示意圖),都是靠金屬離子在正負極之間來回穿梭,早在70年代的兩種電池就同步被發明出來,但是在後期發展過程中鈉鋰子電池沒有找到合適的負極材料,但鋰離子電池的正負極材料、隔離膜、電解液等方面均獲得了技術突破,並在1991年被Sony商業化了,至今鋰離子電池已經進入量產階段,加工,生產,封裝技術都比較成熟煞。然而,把鋰離子換成鈉離子就同樣可以量産了嗎?是可以,但是這樣生產出來的電池是無法單獨用來驅動電動車的。鈉鋰子電池能否取代鋰離子電池?我們由七個方向進行探討:一、鈉離子的絕對優勢就是成本。正極的原材料碳酸鋰近日價格是57萬美元/噸,而碳酸鈉的價格不到3千美元/噸,而且鈉鹽有著更出色的電導率,所以降低電解液的濃度時也降低了成本。同時鈉離子電池的正負極都可以使用鋁,成本可再壓低。如果鈉離子電池能夠做到跟鋰離子電池相同的效能,電動車的價格應該可以降低50%。二、鈉離子電池並非單純的替換一個鋰離子即可,在正負極材料有相當大的改變;與鋰離子電池正極材料類似,有3類:第1類是「層狀過渡金屬氧化物」(layered transition metal oxide),如鋰離子電池中某某酸鋰(鎳/鈷/錳/酸鋰)等,鈉離子電池對應的是某某酸鈉,所使用的過渡元素包括錳/鎳/鉻/鐵/鈦/釩等。但是與鈷酸鋰並不一樣,鈉離子的單層金屬氧化鈉並不穩定,所以必須要摻雜其他金屬,形成多元材料才能更加穩定,譬如英國有家公司採用錳/鎳/鈦/鎂四元層狀結構,能量密度達到160Wh/kg;又譬如中國某家公司採用的是銅/鐵/錳三元方案,能量密度可以做到135Wh/kg。第2類正極材料為「普魯士類化合物」即為過渡金屬六氰基鐵酸鹽,化學式如下NaxMa[Mb(CN)6],Ma={Fe, Mn, Ni},Mb={Fe, Mn},這種材料的結構開放性比較好,更加有利於鈉離子的嵌入與脫出,但是由於一些副作用其穩定性和循環效能還是需要再改善。寧德時代對這種材料深入研究,經過測試新研發的材料其電池能量密度可達到160Kw/kg。第3類是「陰離子化合物」NaxMy[(XOm)n-]z,M為多價態的金屬離子如鐵/釩等,X為磷/硫等元素。這種材料呈現出3D網狀結構,工作電壓高循環效能較好,但是能量密度比較低。以上三種正極材料各有優劣,而且都有廠家在研究,最終哪種會形成主流目前還不得而知。表2. 正極材料三條路線各有千秋,層狀氧化物有望率先應用(文長待續)
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