鋰離子電池用高分子電解質

刊登日期:2015/2/5
  • 字級

鋰離子電池未來發展趨向高能量密度,而穿戴式裝置被視為新一代創新與市場成長的動能焦點,在產品設計上須更輕薄短小;因產品安全性需求與設計考量,市面上絕大多數的穿戴式裝置使用安全性較高、不易爆炸燃燒或產生漏液問題的鋰高分子電池。因此,高分子電解質被高度期待能克服高能量伴隨的安全疑慮而發展熱絡。依據組成差異性,高分子電解質可區分為固態高分子電解質、膠態高分子電解質、單離子導體與離子膠體,本文將介紹高分子電解質之發展趨勢。另外,亦將介紹工研院材化所膠態高分子電解質之開發概況。

高分子電解質的種類與發展趨勢
高分子電解質的發展始 於1973年,P. V. Wright 等人發現將 PEO(Polyethylene Oxide)與鹼金族鹽類所形成的錯合物在高溫下具有離子傳導特性,自 1979年 Armand 提出 PEO 與鋰鹽形成的錯合物可以應用在二次電池並當作固態高分子電解質研究開始,至今已將近三十年。目前高分子電解質主要可區分成:
1. 純固態高分子電解質
如 PEO、PPO(Polypropylene Oxide)、Polysiloxanes 等,此類電解質具有良好的機械特性,所以不需使用隔離膜,固態高分子電解質對電極有很強的配位,預期有很好的安全特性,例如難燃性。但此類的高分子電解質因不含溶劑,故室溫導電度偏低而限制其應用性,一般認為其室溫離子導電度至少須達 10-4 S/cm以上才有應用的可能性。

起初許多科學家認為離子的傳遞和電子類似,乃經由結晶相缺陷( Defect )來提供離子傳遞,但在 1983年,即被 Armand 確認離子是經由高分子的非結晶相來傳遞,鋰離子在高分子主幹藉由高分子鏈節運動較活躍的非晶相區進行傳遞,而結晶區的分子因排列規則,高分子主鏈運動不易,故導電度很差,鋰離子在 PEO 的傳遞機構示意圖,如圖四所示。


圖四、鋰離子在PEO的傳遞機構示意圖

2. 膠態高分子電解質
膠態高分子電解質( Gel Polymer Electrolyte ) 亦稱為塑化型高分子電解質( Plasticized Polymer Electrolyte ),如 PAN(Polyacrylonitrile)、PMMA(Poly(Methyl Methacrylate))、PVC(Poly(Vinyl Chloride))與 PVDF(Poly(Vinylidene Fluoride))等,其結構如圖五所示。此類高分子電解質含大量的塑化劑,故離子導電度也可高達到實用階段的 10-3 S/cm以上。但機械性質差,仍需搭配隔離膜使用,所以其電池結構與液態鋰離子電池更為相似。由前面的討論可了解在固態高分子電解質中,因僅含高分子主體和鋰鹽,所以離子導電性主要受高分子的鏈節運動影響。因此最早在 1975年,G. Feuillade 等人提出加入塑化劑於高分子結構內,形成假固態之膠態電解質( Quasi-solid Gel Electrolyte ),而塑化劑的作用可降低高分子的Tg點,進而提升離子導電度。

工研院開發的鋰高分子電池
工研院材化所(MCL)開發的鋰高分子電池屬於化學交聯的膠態高分子電解質,如圖十二所示。關鍵技術有①高陰電性嵌段之高分歧聚合物技術,有效抑制與電極高反應性、減緩鋰枝晶生成,具高安全特性;②強化界面保護機制之複合電極材料,克服電解質與電極均勻界面,增加鋰離子躍遷速率;③低溫原位聚合技術具化學交聯網狀共價鍵結構,抑制高分子電解質的熱可逆穩定性。高分子電池能承受裁切、撓曲而不會短路、洩漏、發熱、發煙,保持穩定充放電特性。

高極性高分子對鋰鹽溶解度高,與電解液化學相容性佳,高分子之陽極氧化電位穩定;而少比例交聯結構將大部分的電解液鎖住在內部,高分子有多孔結構有助於鋰離子之傳遞。膠態高分子電解質於電極表面形成均勻的界面,因此,鋰高分子電池的性能與液態鋰二次電池相近,高分子電池於大電流操作時(3C),電容量維持率(95%)等同……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。


圖十四、材化所研發鋰高分子電池,可承受(a)撓曲;(b)裁切,持續穩定點亮LED載具

作者:林月微、方家振/工研院材化所
 ★完整內容請見下方檔案。


分享
為此篇文章評分

相關廠商