吳偉新/工研院材化所
前言
由於儲能材料的日新月異，各國不斷發展出許多有別於主流鋰離子電池的先進元件，目的是朝向更大容量、更安全與更出色的電池性能等方向邁進。日本國內對於下世代電池的研究更是發展出具有國家團隊的組織，以因應並佈局未來相關的能源議題與產業。因此，不同於以往，在第60屆電池討論會上包含了NEDO、Rising等日本最具規模的下世代電池研究組織，也為此安排了NEDO Session，包含了National Project與Joint Session以及FC Session等大型討論項目。材料方面，正極多以高鎳三元系與高電壓釩(V)系與磷(P)系為主展開討論，負極則仍舊以矽為大宗，但金屬負極比起以往有增長的趨勢，並且不限於電極本身，更多為介面討論與固態電解質的搭配性一起作為報告重點。固態電解質仍舊以硫系為大宗，而氧化系也逐漸轉向可大量製造與加工的方向進行開發，如圖一。整體而言，日本發展下世代電池是非常具有固定節奏與組織性的，縱使沒有特別的創意發想，但其本身所累積的各種材料資料庫仍舊是相當具有潛力將固態電池推向商品化。以下，將針對負極介面與電解質系統，並包含全電池軟包進行重點報告。
高能量電池軟包開發狀況
為了開發用在電動汽車（EV）上的大型電池，從2010年起即致力於汽車的大型層壓電池商業化研究。未來的電池除了所需的高能量密度、耐用性、可靠性和安全性之外，有必要開發高能量電池並且具有優異的充電性能。特別是在正極，以具有高重量能量密度的高鎳層狀NMC正極作為一個好的候選者，正引起相當關注，如表一。這次使用的是高鎳NMC正極，報告中有交代電芯設計和評估用於安裝的大容量大電池的結果。
圖一、下世代電池討論主題與相關趨勢分析
為了開發具有更高能量密度的可再充電電池，金村團隊近年來研究了相關鋰和鎂金屬負極。由於鋰和鎂金屬作為負極的高容量密度，因此可讓電池具有很高的能量密度，但是要實現仍存在一些問題，其中最重要和最困難的問題是鋰金屬的枝晶形成以及適合鎂負極的電解質。其中，鋰金屬負極的最大問題是充放電的可逆性以及充放電過程中形式的變化。兩者均為樹枝狀鋰金屬的沉澱受到很大影響。使用EQCM、AFM等對鋰金屬的樹枝狀生長進行詳細研究。結果清楚顯示，通過製備特定的SEI膜，可以改善Li金屬負極的可逆性和形狀變化。金村團隊還進行了電解質研究。當使用乙醚溶劑時，要注意作為鋰硫電池和鋰空氣電池，含有LiBr和LiNO3的溶劑化離子液體和電解質，以及這些電解質中鋰金屬的溶解和沈積澄清了可逆性得到改善。使用這些電解質的鋰硫電池和鋰空氣電池的試生產已經開始。表二為電芯設計與其相關性能報告。
表一、未來車用可量產高容量軟包電芯規格與其性能
表二、下世代鋰金屬電池軟包電芯規格與其開發方向
使用鋰金屬負極的一項重要的電解質技術是使用濃電解質，如果使用這種電解質可以獲得更高的能量密度，但由於電解質成本和黏度問題而容易遭到否定，應該以電池的---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。