工業材料雜誌四月號推出「固態電池與材料技術」及「散熱材料技術與應用」兩大技術專題

 

刊登日期:2020/4/6
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鋰電池科技 更上一層樓
鋰離子電池自1990年問世以來,性能不斷進步,二十餘年來廣泛使用於電腦、通訊及消費電子等產品,對人類社會產生莫大影響。近年為減低人類對石化及煤碳燃料的依賴、降低汙染排放、減緩全球暖化,各種電動車輛、太陽能與風力再生能源成為世界各先進國家發展重點。由於鋰離子電池正負極材料種類豐富,使得鋰電池能在不同使用情境下展現出優異的特性。以目前發展趨勢來看,鋰離子電池也已成為上述電動車及儲能應用所需大型儲電系統之主流。

2019年全球鋰電池市場達三百多億美元,該年諾貝爾化學獎頒給了發明鋰離子電池的三位科學家,可說是實至名歸,也給予鋰電池科技最大的肯定!展望未來,鋰離子電池還須在能量密度、循環壽命、安全性及成本上繼續改進,技術的開發充滿挑戰。本期固態鋰電池專題介紹全世界固態鋰電池最近發展狀況,並探討氧化物固態電解質技術及其理論計算模擬、以石墨為負極之鋰離子固態電池、鋰金屬固態電池技術。希望能藉此專題文章,吸引更多的人力及資源投入,加速固態鋰電池技術產業化,讓鋰電池科技繼續發光發熱,貢獻人類。

近年來,可穿戴設備等移動設備變得越來越小、越來越薄,但為了延長使用時間,需要安裝的電池朝向高容量與高能量密度發展,同時必須增加電池的安全性,以防止電池著火或過熱,因這些需求衍生出全固態電池有效防止燃燒爆炸等意外事故的終極解決技術路徑。固態電池近年來一直為國際大廠與研究機構的熱門投入領域,在2019年也開始有業者提出可商業化之樣品技術,標榜在2020年後陸續投入商業化應用。「國際固態電池發展概況」一文解析太陽誘電、FDK、村田製作所、三洋化成、日立造船等日商在固態電池最新的研發成果、產品量產期程與技術發展目標。藉由觀察全固體電池產品上市後的性能表現,可用以評估未來固態電池是否能順利大規模生產。

具有高容量與高安全性的全固態電池被認為可以滿足車用動力系統的需求,然而在固態電池中扮演關鍵角色的固態電解質系統仍有許多待克服的問題。若要解決這些問題,我們需要對固態電池的基本材料機制有更深的了解;但由於系統的複雜程度極高,難以僅從單純的設計實驗來了解可能的機制。原子尺度下的計算模擬可從微觀尺度研究材料性質,而其結果不僅能作為實驗設計的參考,更能夠對許多實驗上觀察到的現象提出更精確的解釋。「氧化物固態電解質技術及其理論計算模擬」探討如何結合原子尺度下的模擬計算與實驗設計,進行固態電解質材料開發。我們以具有石榴石結構的固態電解質材料LLZO為例,介紹對該系統的計算研究,並輔以工研院開發出的LLZO之特徵,相互印證實驗與理論計算結果,同時也提供未來的突破方向。

全球電動車市場處於火熱之際,國內在政府政策補助下,首先發酵的是智慧型電動機車,而車用鋰電池的發展方向也將致力提高能量密度、縮短充電時間、提升電池循環壽命以及安全性,來滿足車用市場的要求。鋰離子固態電池為兼具安全與能量密度而開發,除核心為固態電解質的開發外,同時也須包含高能量密度正負極材料的研究,甚至帶動相關電池製造技術改良。「鋰離子固態電池」一文介紹固態電池面臨的問題與國際大廠/先進研究單位在固態電池開發與發展之現況。雖然有各種不同體系的固態電解質因應各種電池應用情境,但目前仍然存在最基礎的固-固界面阻抗過高的問題,克服此問題才能真正實現全固態電池的現世。

鋰金屬作為負極材料,其擁有的超低還原電位、低密度及高能量(3,860 mAh/g)等特性,被視為是下世代高能量密度電池中最重要的技術之一。然而,無法受到控制的鋰金屬枝晶成長,導致不均勻沉積而發生內短路、電池燃燒等安全疑慮,以及長時間死鋰堆積而導致低循環效率,是鋰金屬電池目前仍舊難以商業化的兩大關鍵因素。「鋰金屬電池最新技術與展望」詳述如何利用各種最新技術來抑制枝晶,進一步使鋰沉積均一化後提升庫倫效率。具體而言,從透過了解液態系統下的鋰成核行為,藉鋰金屬表面修飾與開發新型電解液來控制離子流與極化現象,到經由固態電解質及解決界面阻抗問題等來改善電性及安全性。透過理論、實驗、技術開發、產業化與未來發展方向等,討論鋰金屬電池儲能的長遠目標。

迎接高能量密度的散熱挑戰
站在時間的長廊上,回顧人類的歷史,「熱能」的應用可代表人類進步的里程碑。自石器時代人類鑽木取火、火藥的發明、氣渦輪機、引擎、火箭等,無一不與熱能的應用相關;而現今熱能的使用於生活中無所不在,如烹煮食物(食)、禦寒保暖(衣)、居家暖氣(住)、行駛車輛(行)等。如何將熱能使用得更經濟、更妥善或更具效益,這使我們每天都面對熱管理問題。散熱技術是熱管理當中的關鍵。在微電子領域上,隨3C技術日新月異,行動裝置往元件縮裝和頻率提升趨勢進行,散熱更顯重要,特別是5G手機和5G基地台行動裝置。本期技術專題提供讀者全球散熱市場的分析、5G技術發展與散熱技術挑戰、超薄均熱片技術開發、新型陣列脈衝式熱管的性能研究等,解密技術,期望帶領讀者一窺散熱產業與技術演進,並為產業注入新泉源。

5G技術開發已成為全球關注重點,新技術如毫米波技術及陣列模組等技術導入,尤其在基地台、終端設備元件、系統硬體設施的開發,皆是全球電子產業關注重點。在頻率提升及速率增加的趨勢下,發熱功率隨之提升已成為技術瓶頸。透過散熱元件及設計的導入以得到最佳資料傳輸效能,並滿足高可靠度及成本的需求,已成為散熱設計導入關鍵,也帶來下一波散熱技術的商機。「5G技術發展與散熱技術挑戰」介紹5G技術的發展與散熱瓶頸,以及針對5G散熱應用的散熱技術發展。在設計技術上,RF模組及系統的散熱設計模擬,也須進一步結合電磁模擬分析,以得到最佳的設計結果。而隨著功率提升所造成的新散熱材料選擇及元件技術開發,也成為重要議題,尤其是應用於被動散熱的高效能熱擴散元件及熱介面材料,均占有重要地位。

由於5G通訊使用的頻率更高、頻寬更廣,而智慧型手機裡的晶片以多核心、高積體化和小型化模組型態呈現,整合的高頻電路模組系統,讓模組熱密度提高,因而凸顯出散熱管理的重要。「智慧型手機用薄型均熱板市場」針對手機用薄型均熱板加以探討,支援5G Sub-6 GHz頻段手機為首波5G應用終端產品,以熱管搭配散熱片等方案克服,預估目前品牌手機大廠對於品牌新機導入均熱板作為散熱解決方案將可能侷限於高階、旗艦機型。市場隨5G手機、基地台等應用將快速提升。2022年起手機將開始支援毫米波頻段,其他散熱解決方案可能將不敷使用,隨著薄型均熱板技術突破、良率提升,薄型均熱板在尺寸、高導熱性兼具的優勢下,有機會成為智慧型手機主流散熱方式。長遠隨著薄型均熱板作為手機散熱解決方案的滲透率持續升高,未來均熱板市場可望持續擴大。

超薄均熱板之技術與發展趨勢」一文指出,超薄均熱板被視為5G高傳輸設備之最佳散熱方案,其操作原理是利用內部兩相蒸發和冷凝之現象,將熱量傳遞到整個均熱板平面上。超薄均熱板具有低熱阻和高溫度均勻性的特色,因此適用於高熱通量5G通訊用的散熱元件。在發展高效能之超薄均熱板研究中,工研院利用高強度與高熱傳性之Cu合金,取代超薄均熱板傳統之純銅殼體結構,發展高滲透性之多孔金屬毛細結構,來提升毛細現象之整體效能,並且利用固態金屬材料低溫擴散接合方式進行封合組裝,成功開發厚度小於0.4 mm之超薄均熱板。

脈衝式熱管於陣列熱源之散熱性能研究」以脈衝式熱管技術為基礎,開發新型立體迴路式的結構,可應用於陣列式多熱源散熱需求。其係利用蒸發區接收熱源的熱量,使系統內部形成相變化之壓力差,進而驅動管內工作流體循環散熱。立體式脈衝熱管迴路利用銅管直接整合散熱鰭片以及蒸發區,以提升熱源和蒸發區溫度均勻性。本文比較兩種不同特性的工作流體,包括純水及甲醇,分別填充30%至70%之體積填充率進行性能測試,加熱功率由200 W依序增加至800 W,記錄蒸發區和散熱鰭片之間熱管的溫度分布,探討整體熱阻值。加熱功率設定於800 W時,水及甲醇,蒸發區至環境整體熱阻值分別為0.078 ˚C/W、0.056 ˚C/W。實驗結果顯示,所開發之立體式脈衝熱管迴路可滿足立體陣列熱源熱管理問題。

主題專欄
因應全球氣候變遷與綠色轉型的聲浪,產業創新與永續發展攸關臺灣企業在全球綠色市場的競爭力。市場瞭望專欄「善用國際資源推展綠能及優勢技術」以當今國際綠色投融資與資源應用趨勢,解析我國產業技術擴散策略,以掌握國際化的脈動進行低碳經濟策略布局。對較為成熟的綠色市場,技術可配合投資渠道擴散,確保產業發展機先;對於需要資源投入的開發中國家,則可協同國際資源,以具優勢項目推展技術滲透。未來應運用國際資源,整合技術創新與投融資機制,確保國家利益與產業競爭力。

鋰電池需求量逐年提升,有價金屬如鋰、鈷礦資源有限,再加上2025年即將面臨大批廢電池潮,各國開始提倡鋰電池封閉式循環經濟,但由於許多規範尚未發展完全,大部分的鋰電池仍走向廢棄掩埋,僅少部分送至回收廠處理,大部分處理方式主要為火法冶金及濕法冶金,但高溫處理及強酸鹼溶劑使用下不但經濟效益低,更加造成環境二次汙染。循環經濟專欄「鋰電池循環經濟」一文分為上下兩集,概述國際回收大廠現行回收技術及各國政府正推行之循環技術,也分享工研院鋰電池循環技術。

全球各先進國家皆積極發展再生能源,如風力、太陽能等,不過此種能源的建置受限於天候條件,無地利情況下,運用儲電設備配合電網需求進行適當的電力調度,是各電力公司常用的解決方案。然而現今儲電產品價格仍然居高不下,加上內部電池陣列之連接為固定式,如果其中一個模組電量耗盡或是故障,則整個系統必須停止工作,因此需要再提高成本選用性能一致性高的電池芯以及模組。能源/儲能專欄「RAIBA–可線上即時重組電池陣列系統」介紹工研院獨創的RAIBA (Reconfigurable Array of Inexpensive Batteries Architecture),可將新、舊電池模組整合在一起運用、延長系統運轉的時間及循環壽命。

生醫材料專欄「iKNOBEADS仿生磁珠做為輔助性材料於次世代細胞免疫治療的應用」一文分析,T細胞免疫療法已經成為癌症治療的最新趨勢,治療過程中從病患血液中分離的T細胞必須在體外經過活化及擴增至足夠的數量後才能進行回輸治療。功能性磁珠是體外活化T細胞最廣泛使用的輔助材料,目前所有市售磁珠產品都是圓球狀,然而人體中用於活化T細胞最有效率的是具有顯著褶皺和突起的成熟樹突細胞。在仿生的概念下,工研院成功製備出世界上第一個具有可控制粒徑及多突狀型態的微米級磁珠,稱為iKNOBEADS,其獨特的多突狀型態和粗糙的表面大幅改善了與T細胞之間的交互作用,進而促使T細胞的擴增效率提高及腫瘤毒殺能力增強,提供了一種高效率及更經濟的平台,並具有應用於其他免疫細胞免疫療法的潛力,符合GMP規範的臨床用iKNOBEADS預計將於今(2020)年問世。

使用民生及工業污水放流水,作為再生水回收水源,為目前水資源開源技術中的一重點項目。下水再生水在傳輸距離及水中雜質濃度上,與海水淡化相比具有相當好的經濟成本優勢。然而,放流水中所含之複雜有機分子,對於水再生的薄膜過濾系統造成嚴重的負擔,頻繁的清洗及膜組更換,也直接影響水再生之成本。材料與技術專欄「臭氧微細氣泡搭配生物反應器降低再生水系統薄膜之有機物污堵」介紹於再生水系統生物處理單元中,引進高級氧化設備,嘗試藉由物化氧化技術,預先將會產生薄膜污堵的難分解有機物進行斷鍵破壞,使後端生物單元將本來無法分解的有機物,能有效進行礦化分解,達到有效去除放流水中難分解有機物的目標,以此減輕有機物對於薄膜的污染影響,減少薄膜清洗及更換次數,使再生水在應用上更具有經濟性,達到水資源永續循環的目標。

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