鋰離子電池週邊材料的最新動向

 

刊登日期:2012/1/2
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鋰離子電池由正極、負極、電解液、隔離膜及電池罐所組成。有別於多數鋰離子電池的文章聚焦於正極或負極的活性物質,本文將著眼於其週邊材料:電解液、接著劑與包覆材料的最新動向。 
一、電解液
與鉛酸電池和鎳鎘電池相較,鋰離子電池具有能量密度高、自放電小和記憶效應小的優點,目前廣泛應用於行動電話、筆記型電腦等的電源。由於鋰離子電池所使用的電解質為有機溶劑,一旦過充電或短路時即易發生起火燃燒的危險事故。未來鋰離子電池即將進一步地廣泛應用於電動車及電力儲存系統等較大電力的場合,從確保安全性和提高耐久性的觀點來看,電解液的難燃化是一個重要的主題。
 
近年來備受矚目的新一代電解質非「離子液體」莫屬,例如:酰亞胺型 (imide) 陰離子之FSI  (bis(fluorosulfonyl)imide)、TFSI (trifluorosulfonyl imide,三氟磺酸亞胺離子)。離子液體具有難燃性、低揮發性、熱安定性和高離子濃度等特徵,擁有成為電解液的若干優點。但要將離子液體應用於鋰離子電池仍有下列問題:黏度偏高、還原分解電位高於鋰離子電子嵌入/脫嵌電位,造成負極特性的劣化。因此,目前離子液體還不能完全取代有機系的電解質。在改善負極特性的研究方面:自從Helzapfel研究小組以添加vinylene carbonate (VC)成功地做出在石墨負極的鋰離子的嵌入/脫嵌,現在有許多利用有機添加劑的研究。利用有機添加物的還原分解形成電極固體界面層 (SEI,solid electrode interface),具有抑制離子液體本身還原分解的效果,但也因固體界面層,會提高電極/電解質間的界面電阻。
 
二、接合劑
鋰離子電池的材料中,接合劑 (Binder) 是少數不參與反應的材料,其使用量僅佔電池總重量的1%,在鋰離子的研究中一直是被忽略的。當鋰離子電池的用途由行動電話及電動工具擴展至電動車產業用途時,各項電池材料的性能要求也越來越嚴格,因此接合劑的性能將逐漸受到重視。
 
不論是電池的正極或負極,接合劑不只是擔負了「接合」的功能,在電池的製程控制及電池性能上,接合劑也擔負了若干重要的角色,例如:電池製程中,先將電池的活性物質分散於水或有機溶劑中,接合劑與活性物質泥漿化(Slurry)時,會添加分散劑來調整泥漿的流變特性,以便提高塗佈時的平整性(Leveling);此外,在發揮電池性能方面,由於接合劑所處的電池內部的電化學環境相當嚴苛,接合劑需要有良好的電化學安定性並且不能溶解於電解液。因此,從電池的設計與材料的選擇開始,一顆電池是否能發揮特性,接合劑也扮演了關鍵材料的角色。
 
鋰離子電池已廣泛應用於行動電話,在電動車的應用則還在起步階段,下面介紹的接合劑是以用於行動電話者為主。
(一)負極用接合劑
鋰離子電池初登場時使用的負極接合劑是將---本文節錄自「材料最前線」專欄,完整資料請見下方附檔。

作者:李守仁 /清雲科技大學助理教授;白立文/工研院材化所
★完整檔案內容請見下方附檔。


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