鋰離子電池雙層間隔極板塗佈技術與設備開發

刊登日期:2015/1/5
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鋰離子二次電池具有工作電壓高、能量密度大、重量輕、壽命長、無記憶效應、對環境污染小、可快速充放電、自放電率低等優點,因此鋰離子電池被廣泛應用在消費性電子產品(如智慧型手機、平板電腦)、運輸工具(如電動車、電動巴士、電動二輪車等)與儲能產品(不斷電系統、再生能源與智慧電網等),從圖一可以明顯發現,目前鋰離子電池仍以消費性電子產品應用為主。2013年全球鋰電池在平板電腦、行動電源、新興的穿戴式裝置、不斷電系統與電動車的應用有大幅成長,使得 2013年市場規模達 53.72 GWh的水準,較 2012年約成長 23.7%,若按照 2013年上述應用市場需求成長率穩定發展下,2014年可望達到近 67 GWh之規模,保持每年超過2成以上之需求成長態勢。

電極板塗佈製程
鋰離子二次電池自 1992年日本 Sony公司成功開發後,最早的鋰離子電池極板塗佈技術與設備,也是早期國內最多公司採用的,以日本平野金屬公司設計製作之Comma塗佈設備為主,如圖三(a)所示,此塗佈設備具有簡單、容易操作、便宜的特點;但也有一些不可避免的缺點,如1.厚度均勻性不易控制;2.塗膜邊端效應;3.塗佈環境為開放空間,溶劑揮發造成漿料變異性大;4.前/尾(Front/Tail)厚度控制;5.塗佈與漿料流變(Rheology)行為相關性大;6.塗佈速度<10 m/min(以間隔塗佈而言);7.無法進行雙面同時塗佈。


圖三、(a)Comma Coater;(b)Slot Die Coater塗佈系統示意

國際電池大廠很早就發現此問題,因此在十多年前即開始轉向使用精密度較高的狹縫式模具( Slot Die )塗佈方式進行極板的製作,以達高品質的極板生產,如圖三(b)所示,透過塗佈機構改良設計及模具內部流道與唇口 (Die Lip )特殊設計,目前鋰電池間隔極板產速已提升到30 m/min的實績,據聞甚至可達到 50 m/min,這意味著掌握高產速、高良率的製程控制能力是大家努力追求的目標。

此外,專利上也針對這兩種塗佈系統下(Comma塗佈vs. Slot Die塗佈)之電池極板所組裝的電池進行比較,由圖五可清楚發現,以狹縫式塗佈技術製造的極板與組裝後的電池,無論在大電流放電或循環壽命的測試結果,都優於 Comma 塗佈的結果,這也說明,好的塗佈外觀與穩定的製程,在電池特性上較能展現較優之抗變性。


圖五、不同塗佈方式對電池特性之影響

雙層極板技術開發
近年來,鋰電池因內部短路問題的意外災害層出不窮,引發鋰電池應用上的疑慮與紛擾,鋰電池業者常透過電子電路設計、單電池機構設計來提高電池安全性;但隨著鋰離子電池電容量的提高,電池安全係數有必要再往上提升,才能獲得消費者的信賴。除了透過外部電子與機械安全防護設計之外,電池內部可透過安全高分子材料(如 STOBA 等)、耐高溫隔離膜、安全電解質、多層安全功能層結構設計等方法來提高電池的安全性,以達到兼具多功能之優質電池組合,功能性電池芯極板結構示意圖如圖六所示。

因應電池使用者的聲音,希望可以取得高能量密度、高功率密度、長壽命、低成本與高安全性等多重功能之鋰電池產品,因此全球業者無不卯足全力朝此目標努力,現階段單層極板不足以因應多重的功能需求,鋰電池極板結構設計已開始由單層結構走向雙層結構,甚至是三層結構的趨勢,這可從表一整理的專利看出端倪。

透過不同的電池設計,鋰電池極板可分成……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。

作者:朱文彬、吳平耀、溫恕恒/工研院材化所;劉家佑/亞泰金屬工業(股)公司
 ★完整內容請見下方檔案。


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