大型高能量密度鋰電池開發

刊登日期:2012/3/6
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近年來,鋰離子電池應用範圍已由3C產品擴大至動力產品,甚至純電動車的應用。由於應用的層面越來越廣泛,且為了增加車輛續航力,因此需要開發更大電容量及高安全性的電池。大容量鋰電池也許可由許多小型鋰電池並聯而成,但在組裝、電能及熱管理等方面均相當棘手,若採用大型鋰電池,其單元存蓄的能量高,基本電能特性危險性也較高,使系統廠在選擇電池芯時經常難以抉擇。為了提高大型電池之安全性,本研究電池導入STOBA (Self-terminated Oligomers with Hyper Branched Architecture)添加劑,並採用將散熱結構及導電結構整合之獨創設計,有效提升電池之均溫性及降低阻抗。

電池基本組成與規格
此大型鋰電池( 圖一) 電容量為40 Ah ,相關規格如表一所示,材料系統如表二所示。電池芯乃由四個極卷並聯組裝而成,正負端子設計於電池兩端蓋,端蓋再與罐體以雷射封銲。
 
表一、40 Ah 大型高能量密度電池規格
 
基本電能特性
1. 功率密度
功率密度係指電池單位重量所能輸出之功率,將不同電池飽電狀態(SOC)下,以0.2C 、1C 、3C 電流放電30s 時之最終電壓外插至2.8V 之可放電功率計算而得,結果如圖二所示, 80% SOC 時電池30 秒放電功率密度為1,147 W/kg , 20% SOC 時為500W/kg;電池之放電阻抗(DCIR)則約為2 mΩ左右。

圖三、HPPC特性測試結果

3. 低溫放電測試
低溫放電測試是將電池在室溫下充飽電後置於低溫(0°C 、-10°C 、-20°C)烘箱中,在電池與烘箱溫度達到平衡後以1C(40A)電流放電。低溫放電測試結果如圖五及表四所示,電池於-20°C 環境下,初期電池電壓因低溫下離子阻抗過大而急速下降,但會隨著放電過程電池內部加熱使離子阻抗降低而回升,最終放出之電容量為30.4Ah(79%),放電終止時,電池表面溫度上升至-5.8°C 。
4. 循環壽命測試
循環壽命測試是在常溫及45°C 下進行,電池以40A 電流在4V 到3V 電壓範圍間作充放電測試,每50 次循環進行一次全容量及DCIR 阻抗測試,測試結果如圖六及圖七所示。在常溫下,電池經525 次循環後仍保有95% 以上的電容量,在45°C 下,電池經430 次循環後仍保有88% 以上的電容量,隨著循環次數增加,電池DCIR 阻抗也持續上升。
 
電池安全性與可靠度
安全及可靠性測試乃依據IEC 62660-2測試規範(現已轉換成CNS 15391-2)進行, 針刺測試則參考SAE J2462-2009 或QCT 743-2006 的方法。IEC 62660-2 並無規範通過測試之準則,而是標示測試結果(表五)以成績單方式呈現,做為系統業者選用電池之標準,但本文還是參考其他測試規範之允收標準來評估電池之安全性與可靠度(表六)。
1. 過充電試驗
電池以1C 電流過充電至8.4V 後安全閥開啟卸壓漏液,如圖八所示,但未起火或爆炸,當電壓達8.4V 時,電池罐體中心最高溫度為119°C(圖九)。
2. 外部短路試驗
外部短路試驗後電池僅安全閥開啟,並無任何起火或爆炸現象發生,如圖十所示。外部短路的最大瞬間電流為917 安培,且於高電流下持續約150 秒。高溫發生於兩導電端子處,尤以正極導電端子處最高,其溫度達185°C ,電池表面之最高溫度則小於110°C(圖十一)。電池於試驗後並無起火或爆炸現象發生,符合外部短路試驗允收標準。
7. 高溫耐久試驗
高溫耐久試驗根據IEC 62660-2 規範進行,試驗過程之電池電壓維持不變(圖廿三),無起火爆炸,且通過試驗,試驗後觀察電池外觀,僅有絕緣墊片稍有收縮情形發生,其餘皆無異樣。
 
單元電池散熱試驗分析
本電池採用兩側雙端子抽散熱設計,電子路徑縮短以減少歐姆阻抗,除了增進放電能力外,更減少歐姆阻抗熱產生,端子外部亦可增設連接散熱或導熱元件,以有效散熱或加溫電池。電池內部整合極卷、極卷中心片與導電機構設計,則可有效傳熱與均熱……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文
 
 圖廿五、電池溫度線位置圖

作者:洪俊睿、葉勝發、謝登存 / 工研院材化所
 
★本文節錄自「工業材料雜誌303期」,更多資料請見:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=10105

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