有機固態電池與電解質材料

 

刊登日期:2018/3/5
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電動載具對能量的需求越來越高。鋰離子二次電池具有高工作電壓、高能量密度的優勢,應用範圍不斷擴展。當電池材料技術往高能量聚焦時,高穩定性與高安全性也同步受到關注。現有液態電解液因其先天限制無法符合未來需求,更新電解質系統勢在必行。

本文將從以下大綱,簡短介紹有機固態高分子電解質材料之發展現況及其展望。
‧前言
‧有機高分子電解質
 1. 純固態高分子電解質
 2. 膠態高分子電解質
‧有機固態電池廠商動態
‧工研院研究現況
‧總結

【內文精選】
高安全性電解質應是以全固態電解質為最終目標,固態電解質可被大致區分為無機固態電解質及有機高分子電解質,其中高分子電解質(Polymer Electrolyte)可分成①純固態高分子電解質;②膠態高分子電解質兩大系統。本篇文章將以介紹有機之純固態高分子電解質為主。

有機高分子電解質
1. 純固態高分子電解質
純固態高分子電解質由高分子與鋰鹽所組成,常使用的高分子系統包括Polyethylene Oxide (PEO)相關系列、Polycarbonate相關系列、Polysiloxane相關系列、Polyacrynitrile相關系列、Poly(methyl methacrylate)相關系列及Polyvinylidene Fluoride相關系列等,其中因為PEO擁有較好的Solvation Power及Complexation Ability而有較高的離子傳導度,所以最常被使用。

理想的高分子電解質應當要有極低的玻璃轉換溫度,方可具有可用的離子導電度。在表一列出不同組成的PEO系列聚合物電解質的離子導電度,表中之PEO系高分子電解質之室溫離子導電普遍偏低,需將溫度拉高至90˚C離子導電度方能有~10-4 S/cm。但是藉由添加Al2O3、TiO2、SiO2及ZrO2等奈米顆粒,以降低聚合物之結晶性提升離子傳導的能力,可將離子傳導度提升至近似於高溫的10-5 S/cm左右。

表一、不同聚合物電解質離子導電度整理
表一、不同聚合物電解質離子導電度整理

有機固態電池廠商動態
高分子電解質具有可撓性、尺寸安定性、高安全性及低燃燒性等特點,但使用上仍有許多問題亟待克服。例如鋰金屬負極的鋰枝晶問題、大量製造時的均勻性問題及電解質/電極間的介面阻抗等問題都會影響電池壽命及性能。因此,如何有效整合各種材料提出一個完整的解決方案,將會是各家廠商未來的努力重點。

Solid Energy公司則開發可提升鋰金屬電池安全性及能量密度之固態高分子離子液體(Solid Polymer Ionic Liquid; SPiL),號稱其產品具有高能量密度和廣泛溫度應用範圍特性(圖十),非常適合電動車輛和消費電子產品之使用。此電池之核心技術是將一種新穎的電解質和固態聚合物Poly[(oxyethylene)9 methacrylate]-g-poly(dimethyl siloxane)(POEM-g-PDMS)塗佈於鋰金屬負極表面,提高電池能量密度及循環壽命。

工研院研究現況
目前工研院採取的固態電池作法是使用有機無機複合的方式製作固態電解質膜,以有機的高分子電解質改善無機陶瓷電解質的加工性,無機陶瓷電解質提升固態電解質膜的機械強度。搭配表面修飾PBMI及特殊交聯劑之高電壓正極與鋰金屬負極組成電容量達3.8 Ah、能量密度大於800 Wh/L之複合固態電池原型,並在針刺實驗中展現其安全性(圖十一)。

圖十一、工研院之高能量複合固態電池原型放電曲線圖
圖十一、工研院之高能量複合固態電池原型放電曲線圖

由於工業的發展造成全球暖化問題日益嚴重,節能減碳成為全球最受矚目的議題之一。除了發展替代能源來開源,發展高能量密度儲能元件節流調控也必須同時進行。但高能量儲能元件帶來的安全問題必須獲得妥善的解決,有機固態電池之開發將是...…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:張志清、吳偉新、方家振/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」375期,更多資料請見下方附檔。


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