林幸慧/工研院產經中心
近年來，全球能源與環境保護意識高漲，許多國家極力推廣電動車，利用電動車的購車補助或減免稅率來吸引民眾購買，因此也帶動全球電動車的市場蓬勃發展。2017年全球電動車輛，包含插電式混合動力車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)、混合動力車(Hybrid Electric Vehicle, HEV)、純電動車(Battery Electric Vehicle, BEV)與燃料電池電動車(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)的銷量已超過三百萬輛(圖一)。
由於HEV不需改變使用者的使用習慣，為電動車輛的銷售主力，目前以鎳氫電池為主，只有部分使用鋰電池；PHEV與BEV在中國大陸與美國銷量支撐下，2017年的銷量約占電動車總銷量之21.2％與11.3％，而兩者主要使用鋰離子電池。車用鋰電池在2017年的市場規模將達48155 MWh，隨著各國為電動車普及化設定目標，例如英國與法國預計在2040年後停售汽柴油車、挪威在2025年全面禁售柴油車等，預期車用鋰電池市場仍會持續成長(圖二)。
圖一、全球電動車之銷售量
圖二、鋰電池在各應用市場之市場規模
影響鋰電池性能與成本最關鍵的材料為正極材料，常見的車用鋰電池正極材料包含三元材料鋰鎳鈷錳氧化物(Lithium Nickel Cobalt Manganese Oxide, NCM)、鋰鎳鈷鋁氧化物(Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide, NCA)與磷酸鋰鐵(Lithium Iron Phosphate, LFP)。NCM具有高克電容量與高性價比的優勢，而LFP則具有較高安全性與循環壽命較長等優點，但能量密度與倍率性能皆低於其他正極材料。目前電動乘用車之車廠致力於提高行駛距離以及中國政策提高電動乘用車的補貼門檻，導致電動乘用車大多轉向使用高能量密度的NCM或NCA，因此NCM與NCA的產量預計會持續成長；反觀LFP目前的應用市場只能以電動巴士或電動卡車為主，減少的應用市場將造成LFP的產量不易成長，甚至逐年減少。
評估正極材料性能指標包含倍率性能、克電容量、循環壽命、安全性與成本，本文主要介紹NCM與LFP改善這些性能指標時常使用的技術，包含結構控制、摻雜、包覆、殼層結構等。目前廠商生產NCM最常使用的技術為利用共沉澱法合成鎳鈷錳氫氧化物之前驅物，再將前驅物與碳酸鋰或氫氧化鋰等鋰鹽按一定比例混合均勻後，進行高溫燒結。提高倍率性能的方向為縮短鋰離子的擴散距離，讓鋰離子能在電池中快速地嵌入與脱嵌，因此在NCM製程上，可藉由改善共沉澱法的製程條件縮小粒徑或調整堆疊結構。在固定混合金屬溶液與鹼水溶液的濃度下，調整氨水濃度與pH值合成NCM622時，前驅物的一次顆粒形貌與堆疊方式都會受影響。由圖三可知，當pH值為10.5時，板狀一次顆粒可有序地沿著特定方向堆疊，形成剖面呈現發射狀的二次顆粒，隨著pH值的增加，不僅一次顆粒的形貌改變，堆疊方式也會受影響，使得鋰離子的擴散路徑變得更加蜿蜒。HNC1、HNC2與HNC3的pH值依序為10.5、11與11.5，HNC1為板狀一次顆粒有序堆疊成剖面為發射狀的二次顆粒，如圖三所示，HNC1具有最佳的倍率性能與循環性能，HNC1在5C倍率的克電容量仍高達159 mAh/g，而HNC2與HNC3在相同條件下，克電容量小於137 mAh/g，由此可知，調整堆疊結構可作為提升倍率性能主要技術路徑之一(3)(圖四) ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。