穿戴式高能量鋰電池技術及其應用(上)

 

刊登日期:2015/2/5
  • 字級

穿戴式電子產品市場與趨勢
鋰電池具有工作電壓高、能量密度大、重量輕、壽命長及環保性佳等優點,目前已大量應用於3C電子產品與電動車輛上,包括筆記型電腦、平板電腦、智慧型手機、攝錄影機、數位相機、電動工具、UPS不斷電系統、電動自行車、電動機車、電動代步車、油電混合車與純電動車等。根據日本技術系統研究所( Technology System Research )的調查報告指出,2012年全世界二次鋰電池的市場需求量為 43億顆;預估 2018年全世界二次鋰電池的市場需求量達62億顆以上,從 2012年至 2018年的年平均成長率約 8~10%,應用市場仍然以 3C電子產品與電動車輛為主。但應用在3C產品方面,隨著智慧型手機與平板電腦的大量普及,成長動力已趨於平緩,急需尋找新的產品來帶動整體電子產業的發展,而穿戴式電子產品正是下一波最有機會的電子產品,其中包括智慧型眼鏡、穿戴式電子、智慧型手環、智慧型手錶、智慧體感偵測衣等(圖一)。

IHS 預計,2014年全球穿戴式電子產品的電池營收將達到 600萬美元,未來將在 2018年時躍升至 7,700萬美元。這一營收成長的驅動力主要來自於穿戴式電子裝置的全年出貨量—2018年以前可望達到 5,600萬台的出貨規模(圖二)。


圖二、全球穿戴式電池產品之電池銷售預估

穿戴式電子之電源需求與發展
穿戴式裝置因輕薄體積的限制,其電池容量及續航力一直是設計開發上急需突破的關卡,由於傳統的鋰電池已逐漸不敷使用,而現階段國際大廠為延長穿戴式裝置使用時間,紛紛投入次世代電池技術開發,各種次世代電池技術也因應而生,各式各樣穿戴式裝置開發技術正逐漸嶄露頭角,成為國際關注的焦點之一。目前穿戴式電子產品應用的主要瓶頸是待機可使用的時間太短暫,導致使用者在連續使用上的不便捷,因此除了降低穿戴式電子產品中各元件運作所需的耗能外,更好的因應措施是直接增加電池的電容量,因此高能量密度的鋰電池,可提高智慧型手機與穿戴式電子產品的使用時間,以滿足使用者需求。由於穿戴式電子裝置直接與使用者肌膚接觸,因此除了能量密度的提升外,不同外觀的異型電池設計與高安全等技術都是需要考量的重要因素之一(圖四)。


圖四、穿戴式電子之電源需求

電池的整體表現是電極材料、電解液、隔離膜、零組件及電池製造工程的總合,從電池設計的觀點來看,需要同時考慮正負極材料系統、極板配方、電解質系統及電池製造等,才可能獲得最佳的電池容量設計。除此之外,電池極板安全設計也是另一重點,為了提升高容量鋰電池的安全性,負極極板也以奈米導熱層設計,並採用安全奈米複合隔離膜,據了解,目前產學界研發中的次世代電池約可分成三大類,分別為高能量密度電池、固態超薄電池與可撓曲電池,包括三星( Samsung )、樂金( LG )、Panasonic、積水化學( Sekisui Chemical )等大廠皆積極投入開發。目前在國際上,高能量鋰電池開發最具代表性的是 ATL( Amperex Technology Limited ) 鋰電池公司,其鋁箔袋型高能量鋰電池技術發展的 Roadmap如圖五所示。

提高鋰電池之能量密度最直接的作法是開發高電壓之鋰電池系統,而現階段的電解質分解電位為5~5.4V,容易因為電池高電壓運作而無法承受,導致電解質分解,使得電池壽命減少,因此耐高電位之電解質系統的開發,也是重要的研發議題之一。提高電解質的耐高電壓特性最直接有效且符合經濟效益的方法之一,是直接利用功能性的電解質添加劑,而電解質添加劑可分成幾種功能,穩定正極與負極介面之添加劑與安全性耐燃或阻燃添加劑等。好的電解質添加劑能夠在……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。

作者:呂明怡、羅仁志、楊長榮、陳金銘/工研院材化所

相關閱讀穿戴式高能量鋰電池技術及其應用(下)
★完整內容請見下方檔案。


分享
為此篇文章評分

相關廠商