化學SEI改質長續航力電動車鋰電池：材料世界網

ChemSEI-Linker為可一體成型、具多重機能之特殊組合結構體，在電極極板材料混漿過程中，能扮演各組合成分（電極活物材料、導電碳材、黏結劑）之機能區隔與匹配定置的主導角色，並提供各層介面間應力緩衝及機能保護作用。透過工研院的ChemSEI-Linker技術，可讓目前電動車使用的主流─動力鋰電池擁有更高電容量與電池工作電壓範圍，使電動車行駛續航力得以倍數增長、延長電池壽命、充放電次數逾3,000次，且可循環使用。

本文將從以下大綱，介紹工研院材化所獲得全球百大科技獎(R&D 100 Awards)的ChemSEI-Linker技術成果。

‧前言

‧ChemSEI-Linker

‧ChemSEI-Linker對於鋰電池之儲存壽命表現

‧ChemSEI-Linker對於鋰電池之循環壽命表現

‧結論

【內文精選】

前言

目前特斯拉(Tesla)仍持續掀起全球電動車旋風，其更引領相關技術的研發，尤其獨特的動力電池系統，是Tesla核心技術之所在。旗下Model S型號的電動車無論在充電時間、續航力、性能與安全性等方面均有傲人的成就，Model S的電池系統是由7,000~8,000顆Panasonic NCR18650A所串接而成，18650的能量密度大而穩定，是Tesla採用的主要原因，但價格並不便宜，光電池組就約3萬美元，占全車成本超過40%，這也是Model S價格壓不下來的主要原因。此外，Panasonic NCR18650A所使用的是具高能量密度的LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ (NCA)正極材料（理論電容量278.96 mAh/g，目前鋰離子電池正極材料的電容量大約分布在140~180 mAh/g之間），由於電池需要保證8年，電池工作電壓僅能設為3.6 V，充電電壓為4.2 V，不敢進行增加工作電壓來提升能量密度及提高充電電壓以減縮時間的策略作法，因此如需要再提高能量密度時，則需另尋具有更高電容量的電極材料。

本研究團隊開發出一種化學SEI改質(SEI Enhancement)技術，能在各類鋰電池(Lithium Ion Battery)用之正負極材料的表面均勻披覆一層結構穩定、優質且接著力強之人工化學SEI膜，除可保護電極材料不受電解液攻擊而損傷，以及減低因電化學導致累積性SEI膜形成的負面影響外，亦能提升電極材料之工作電壓範圍（提升電池的能量15%），並增加該鋰離子電池70%的循環壽命(Cycle Life)，對鋰電池而言為一有實質效益之添加劑。

ChemSEI-Linker

ChemSEI-Linker為一種一體成型且具多重機能之特殊組合結構體，如圖一所示。當ChemSEI-Linker用於鋰電池之混漿過程中時，ChemSEI-Linker與鋰電池活性物質、導電材、黏著劑等材料充分混合，並在活性物質表面形成披覆的保護膜層。ChemSEILinker所具備的矽烷烴官能基可外接導電材料如石墨、奈米碳材等，讓混漿過程中各機能材料與活性物質能有效各司其職而不相互影響。因此添加ChemSEI-Linker的電池極板為具有結構柔韌性佳、與電極活物接著性強，以及耐碾壓性高和穩定性更好的化學SEI膜等多重優質性能的電極極板(Chemlinkbat Electrode)，如圖二所示。

圖二、自我成形之ChemSEI-Linker與製備之Chemlinkbat Electrodes

ChemSEI-Linker對於鋰電池之循環壽命表現

將本團隊所研發具多重官能基結構之ChemSEI-Linker，運用於鋰電池高能量正極材料LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ (NCA)的混漿過程中，能均勻披覆於電極材料表面形成一層穩定優異之奈米級化學SEI膜，如圖六所示。圖六(a)為材料FIB-SEM (Focused Ion Beam Scanning Electron Microscopes)之切片顯影圖，經倍率放大後（圖六(b)），顯示此層ChemSEI-Linker披覆膜的厚度約11~16 nm。

將NCA正極材料組裝成18650電池且分為表面改質前/後兩組電池，並進行性能測試比對。圖七為兩組在常溫25˚C環境中，電池進行1C充電1C放電循環壽命測試之結果，從圖中可發現正常充放電範圍(4.2~2.5 V)下，在500次循環次數內，兩組電池的循環壽命均表現良好（經ChemSEI-Linker改質之NCA正極材料所組裝之電池的放電容量均較未改質的電池為高）；因此500圈後提高充放電範圍(4.3~2.5 V)，使電池容量提升15%，發現經ChemSEI-Linker改質之NCA電池，其循環壽命可達1,400次(80% Capacity Retention)，較未改質材料的電池壽命延長約70%…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。