當今石油日趨短缺與京都議定書正式生效等因素之影響，在交通工具上使用電力替代石油，已儼然成為各國政府積極推動之新興「綠色工業」。目前在電動車用電池大約可分為四種蓄電池：鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳金屬氫化物電池以及鋰離子動力電池，未來將因能量密度、電池性能，環保汙染及價格差異等因素而有所選擇，由圖一不難看出鋰離子電池所脫穎而出之優勢與潛力，其未來發展重點將著重在降低電池成本，提高電池能量密度以安全性，以主導電動車領域之市場。
圖一、電動車電池能量密度指標比較表
快速充放電新型負極鋰電池材料發展技術
2005年日本東芝公司正式發表能夠超快速充放電的新型鋰離子充電電池技術，能在短短 1 分鐘的時間內充滿80%以上的電力。這項能進行超快速充放電的鋰離子電池技術，是採用了新開發的奈米微粒子金屬負極材料，以及改良的正極和電解液，來達成超高速充放電的能力，同時並大幅提昇了電池的充放電循環壽命。在經過1000次的充放電循環之後，電容量僅下降 1%，減損程度幾乎無法發覺。此外，新的材料也讓該電池具備廣範圍的溫度適應性，在攝氏-40度的低溫下仍能保由80%的放電容量，攝氏45度下1000次充放電後電容量下降也低於5%。預期將可廣泛應用於各種需要快速充放電與高功率輸出的場合，像是電動汽車或者是可攜式裝置等。圖二為快速充放電鋰電池、傳統高功率放電型鋰電池與超高電容之性能比較。
圖二、快速充放電型鋰電池和傳統高功率放電型鋰電池及超高電容之特性比較
2007年12月，東芝宣佈將量產新型反覆快速充電且可擁有10年以上壽命的鋰離子充電電池SCiB( Super Charge ion Battery)，其採用鈦酸鋰的負極材料，此材料獲得了與從前不同的特性。此次開發的鋰離子充電電池的特點是：負極材料採用Li4Ti5O12，並配合使用燃點較高的電解液以及耐熱性良好的隔板。憑藉著這些搭配，電池在內部短路時也不易發生熱失控，破裂及著火的可能性極低。正極材料以鋰鈷氧為基礎材料。即使發生外部短路，單元的溫度也不會超過100℃，可防止破裂及起火。預期未來該產品主要面向備用電源、風力發電均衡電源、無人搬運車、堆高機等產業用途，還適用於帶電動輔助功能的自行車、電動輕騎摩托及混合動力車等領域。
快速充放電混合動力車負極鋰電池材料發展技術
2007年5月美國EnerDel公司發表了負極使用鋰鈦氧(Li4Ti5O12)的混合動力車鋰離子充電電池。該公司所開發的電池單元其特點為正極使用安全性有好評的鋰錳氧化合物(LiMn2O4)，負極則使用了安全性更高的Li4Ti5O12。Li4Ti5O12具備了安全性極高，在低溫下的放電特性以及迴圈壽命等優越的特性。圖三分別為5Ah型號的電池單元模組以及12個5Ah型號電池單元的電池模組實體圖。組合了12個電池單元的電池模組的特點是，各電池模組很容易就能連接在一起。如果將2個模組組合起來，就可以得到高達47kW的輸出功率。
圖三、(左)5Ah型號電池單元模組；(右)12個5Ah型號電池單元模組
快速充放電負極材料鋰鈦氧簡介及相關技術發展
鋰鈦氧(Li4Ti5O12)是一種具有尖晶石(spinel)結構的複合氧化物，其在充放電過程中其骨架結構幾乎不發生變化，因而具有良好的循環性能，其尖晶石結構有利於鋰離子的嵌入和嵌出，且不易引起金屬鋰析出。此外，鋰鈦氧具有明顯的充放電平台，充放電結束時有明顯的電壓改變。上述兩相反應的變化使得該電極電位保持平穩，但當充放電過程基本完成兩相的轉變，其電位便發生快數上升或下降的突躍。假使將鋰鈦氧作為鋰離子電池的負極材料，若在犧牲一定能量密度的前提下可改善整體的快速充放電和循環性能，並使其具有明顯的充放電結束標志，且改善安全性能的情形下，其可作為具有高功率性能的電池並用於混合電動車的動力電源。
美國Altair Nanotechnologies公司已經推出材料就是可以用來當電池負極的奈米級鋰氧化鈦粒子(nano-Li4Ti5O12)。這種微晶狀架構（microcrystalline structure）的粒子可以讓傳統鬆散的（fatigue-based）鋰離子電池當負極在充電時，能夠以格狀的方式拉緊（lattice strain）。這不僅能利用其所提升的充電效率來增加電池的壽命與續航力，還可以透過放寬充電電流的方式使得充電的時間變得更短，甚至有可能從幾個小時的規模，縮簡到只需幾分鐘就能充飽的境界。
工研院材化所快速充放電Li4Ti5O12負極材料發展技術
圖四為工研院材化所鋰離子電池實驗室所合成之高純度Li4Ti5O12的XRD相圖，圖中可以看到粉體的結晶性非常好且沒有任何的雜相存在，此外，該合成粉體的密度為3.495 g/cm3，相對於Li4Ti5O12理論密度(3.5g/cm3)而言高達99.9%。
圖四、Li4Ti5O12粉體XRD圖譜
為了提升Li4Ti5O12在快速充放電的電化學性能，工研院材化所也合成出高純度的多孔洞的Li4Ti5O12，其實驗結果證明多孔洞型的Li4Ti5O12球型粉體顆粒，相對於緻密型的Li4Ti5O12而言，有較小的一次粒子尺寸和較高的比表面積。這兩種因素縮短了鋰離子的移動路徑，使得全部的鋰離子在很短的擴散時間內能夠盡量擴散完全；同時也減少活性材料的比電流密度。所以，多孔洞的Li4Ti5O12材料使鋰的嵌入活性表現優越，而且在快速充放電下可以得到較高的電容量。為了再改善Li4Ti5O12在高功率下的放電電容量和循環壽命穩定性，工研院材化所添加了奈米顆粒於Li4Ti5O12中，形成複合的奈米結構。圖五為Li4Ti5O12和奈米顆粒複合結構的掃描式電子顯微鏡圖，圖中白色點狀的部份即為奈米顆粒。
圖五、Li4Ti5O12複合粉體之SEM圖
藉由此快速充放電奈米複合材料鋰鈦氧的開發，其優越的快速充放電性能將可應用於未來電動車在加速和減速時，提供快速回充的充電能力，這是一般負極碳材所無法達到的性能。在安全性能考量方面，此材料不會出現通常負極與電解液形成的固態電介質介面薄膜，故內阻抗不會上升。並且由於負極不會產生樹枝狀結晶，所以電池模組不會因發熱高於200℃而產生危險。未來此材料亦可搭配目前工研院材化所正積極開發的高安全性膠態電解質技術，加上工研院LEV車輛電池的設計和電池測試驗證平台，未來將可大大提升此材料的競爭技術及應用領域。在電池的循環壽命以及價格比較上，在充放電1000次迴圈後其容量的損失率遠低於商業化的碳材。新穎的快速充電鋰電池負極材料，其傾向擁有更高功率、高能量、電池循環壽命性更長久、高安全性、環保、價格低和易組裝的特性。在地球能源日益枯竭，溫室效應日漸嚴重的現在，替代性能源車種勢必會成為未來的主流趨勢，而完全零污染的汽車將不會只是夢想。
蕭光哲/ 工研院材化所
出處：工業材料雜誌256期
★詳全文：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=6804