複合型極板在鋰電池的應用與發展(上)

刊登日期:2015/3/5
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鋰離子二次電池已廣泛使用在 3C電子、行動裝置、電動車和儲能設備等領域,且應用層面的需求也越來越多。以使用量最具爆發力的電動車市場預測為例,國際知名市調機構 SNE Research 認為電動車( EV )用電池市場從 2011年的 26億美元規模,預計 2020年將達到 288億美元規模,如圖一所示,且使用鋰電池作為儲能動力來源的比例也會從 2011年的56.4%,到 2020年可達到 91.8%;預計 2020年總電池使用的能量為 2014年的 9倍之多,由此可知,電池產業成長的需求速度將會大於目前所供給的能力。

 
圖一、鋰電池在電動車市場使用率之預測

雖然鋰離子二次電池較傳統電池具高能量密度、輸出功率大、無記憶效應、開路電壓高、低自放電、工作溫度範圍廣、充/放電速度快等優點;但是,它仍有電性衰退問題、廢電池回收率不足、不耐過充/過放和需要多重安全保護機制的缺點需要改進。為了因應不同應用對電池性能的進一步要求,除了可以由選擇正負極材料決定之外,亦可以從電池極板的結構設計達到各種需求的目的。因此,本文將從電極結構的角度探討,如何利用複合極板結構設計和製作技術來達到電池特性表現的提升。

複合極板專利/文獻分析
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具多重功能之鋰電池產品,因此相關研究開發者無不卯足全力朝此目標努力。單層極板已無法滿足多重的功能需求,近年來國際大廠積極在鋰電池極板結構進行專利布局,其結構設計開始由單層結構走向雙層結構,甚至三層結構的趨勢。

設計多層結構複合極板目的,是為了能結合並展現各單一結構層的特定優點的功能,由相關專利及文獻可以發現鋰離子電池目前關注的問題,不外乎如何改善電池充放電循環壽命、增進電池安全性與提升電池在大電流下之放電電容量等問題。

對於多層極板結構及執行方法,大致可歸納為兩大類:①結合不同特性之活性物質多層結構;②在電池結構中增加特殊功能層,以達到提高鋰離子電池特性的目的。

雙層同時塗佈技術開發
工研院材化所研究團隊透過雙層模具設計、塗佈液珠模擬、雙層塗佈參數控制與界面分析技術,成功完成雙層極板設計與同時塗佈技術開發。透過自行開發程式與流體力學商用分析軟體,分別進行雙層流體塗佈液珠和塗液流變性質對模具出口流量均勻性的分析。為確認模擬分析與實驗結果準確性,首先利用 Lin 等的實驗條件與結果進行比較,結果如圖七所示,圖七(a)是Lin等以高速照相機所拍攝上層黏度 20 cps、下層黏度 230 cps、上層濕膜厚度 151.2 μm、下層濕膜厚度 252 μm、塗佈間隙 400 μm,在塗佈速度 15 m/min下,雙層塗佈液珠的形狀;圖七(b)是透過流體力學軟體模擬所得塗佈液珠形狀。由圖七可確認此分析軟體模擬之可行性,同時也針對不同鋰電池漿料物性及塗佈製程參數進行模擬,得到最適化塗佈條件並進行雙層塗佈實驗,圖八為鋰電池雙層極板塗佈液珠模擬結果為穩定流場,且塗佈實驗成膜性良好,驗證實驗與理論分析結果一致。


圖八、雙層極板塗佈與模擬分析結果

此外,利用材化所自行開發程式進行雙層模具均勻性分析,探討在不同漿料流變行為下,模具出口流量之分布情形。一般而言,鋰電池的漿料屬於剪切稀化流體( Shear Thinning )行為,其冪律指數( Powerlaw Index, n )從 0.5~0.9不等,圖九為透過狹縫式塗佈模具的出口流量分析模擬,當 Power-law Index>0.7 時,其模具出口流量-----以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

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複合型極板在鋰電池的應用與發展(下)

作者:朱文彬、劉達人、陳立群 /工研院材化所
★完整內容請見下方附檔。


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