高安全鋰電池材料與技術：材料世界網

呂明怡、張繻文、陳奕璋、李明學 / 工研院材化所

本文探討鋰離子電池高安全性材料與技術的種類和效益，以及當代電池材料背後的技術突破。在文章中介紹了鋰電池的作用機制與產生熱爆走的影響因素，並提供各種關鍵材料中，如何提升改善鋰電池安全性的技術，包括不同類型的正極材料及其保護被覆技術、創新的電解質應用、高安全隔離膜塗層材料和先進的溫度控制技術等。透過介紹鋰離子電池材料系統的發展，以及提升鋰電池安全性的設計，期望讀者能更了解鋰離子電池所面臨的安全挑戰，同時作為未來電池技術發展的基礎參考。

【內文精選】

鋰電池的結構、作用原理與熱失控的原因

鋰電池為什麼會有這麼大的能量且有造成嚴重危害風險的隱憂，必須要先從鋰電池的結構與內部運作機理，與什麼狀況會導致危害與事故發生來了解。鋰電池又稱二次電池，是一種以鋰為媒介來儲存能量的化學電池，通常由正極材料、負極材料、電解液、隔離膜所組成。

鋰電池安全材料與技術

從鋰電池的結構與運作機理中，了解鋰電池為什麼有危害產生，因此科學家和工程師們致力從電池各方面材料與設計中，發展出使電池能夠更安全的材料與技術，讓消費者在使用電池時，能降低危害造成的損失風險。本文將相關的安全技術材料種類分成以下幾部分進行介紹，包括：①正極材料的設計與保護被覆技術(介紹正極材料、正極保護被覆設計技術)、②電解液添加劑與高濃度鹽類設計(抑制內部短路的新型電解質)、③高安全隔離膜塗層材料、④電池外部散熱TIM材料等。

1. 正極材料的設計與保護被覆技術

在正極活性物質中再加入導電劑、樹脂黏合劑，並塗覆在鋁基體上，呈細薄層分布。在結構方面，鋰鈷氧化物和鋰鎳氧化物具有極為相同的構造，而鋰錳氧化物則類似尖晶石構造，在放電下的結構安定性較佳。優缺點方面，鋰鈷最為普遍，但原料來源缺乏；鋰鎳的重量能量密度最高，但安全性差；鋰錳價格最便宜，但能量密度及高溫之熱穩定性差；磷酸鐵鋰(LFP)因結構為強穩定的橄欖石結構，在遇到電壓或是環境溫度過高時，不易發生晶體毀損，同時以離子鍵結合的磷酸根也具有不易斷裂產生氧氣的優點，且不含鈷等貴重元素，具成本低、無毒性、高功率、高容量等優點，符合安全性及環保的訴求，也是近年來主流材料之一。雖然LFP具有眾多優點，但其充放電平台的過低導致能量密度相對不如其他材料系統，因此近期鋰電池材料領域提出一款一樣為橄欖石結構的磷酸鐵鋰錳(LMFP)發展方向，來提高電池的能量密度。

正極材料發展方向中，分成高能量密度與低價化兩個部分。其中高能量密度的發展，在國際上已生產各種高鎳含量的材料作為提供不同能量密度電池的應用需求，讓多種車輛有最好能量價格比。雖然提高鎳含量，有助於提升電容量，但卻有晶體結構相變化以及金屬離子溶出等缺點，造成使用後循環壽命不佳等問題。而LMFP因錳含量提升，能夠提高電池電壓和能量密度，但材料中錳元素含量過高也會導致錳溶出比例提高，進而破壞固溶體結構，並使得電池導電性、倍率性及放電效率惡化。圖五為正極材料在電化學反應下，造成材料老化與分解電解液的示意圖。

圖五、正極產生老化與降解機理示意圖

3. 高安全隔離膜塗層材料

為了增加隔離膜的熱穩定性，許多商售隔離膜皆有針對隔離膜進行表面改質或塗佈設計(如：Asahi的Hipore™隔離膜、Degussa的Separion®隔離膜等)，甚至是直接透過在隔離膜與極板之間塗佈一層多孔性熱阻層(Heat Resistant Layer; HRL)或多孔陶瓷層，而這些熱阻層主要包含絕緣填充物以及黏合劑，其中絕緣填充物以Al、Mg、Ti、Zr和Si的氧化物為主，而黏合劑主要採用PVDF及Polyacrylonitrile (PAN)等聚合物。圖九為將塗覆可固化共聚酯(cPET)和Al₂O₃的複合材料，可形成一種熱穩定提升的PE隔離膜，此複合塗層之隔離膜在高溫下表現出優異的尺寸穩定性，即使在170˚C下暴露，複合塗層隔膜也僅收縮了13%，而無塗層之原始的PE隔離膜在130˚C已產生嚴重收縮(25%)，當溫度接近PE的Tm熔點時，其收縮更高達70%以上---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。