有機/無機複合塗層在鋰電池之應用

刊登日期:2015/3/5
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隨著可攜式裝置、電動車及儲能系統的發展,開始追求鋰電池高能量及高功率密度以達電池長時間的使用。然而,在提高電池能量密度的同時,也會伴隨因短路現象造成增加電池過熱燃燒之風險。如何在發展鋰電池高能量、高功率的同時,兼顧鋰電池的安全性,是目前很重要的議題。本文將針對提升鋰電池安全性能之熱阻隔層技術發展進行介紹。

鋰電池構造及產生危害之原因 
隔離膜在鋰電池中扮演關鍵性的角色,也是鋰電池首要的安全防護要角,主要是由高分子薄膜或是不織布( Non-woven )纖維材料所構成之微孔性及多孔性之薄膜,材質多為聚烯烴( Polyolefin ),以聚丙烯( PP )、聚乙烯( PE )為主,隔離膜不參與電池中所進行的任何反應,它具有足夠的孔隙率吸收電解液來增加潤濕性以維持高的離子傳導性( Ionic Conductivity ),對於電解液具有良好的抗化學性及電化學穩定性,並同時具有一定的機械強度和拉伸強度,以忍受電池於組裝過程中所產生的高張力強度。而隔離膜的安全作用啟動機制是當電池出現異常導致溫度上升時,隔離膜會阻斷作為離子通道的細孔,使電池停止充放電反應,有效防止進一步引起過大的電流而使電池產生異常發熱現象導致爆炸。
 

圖一、鋰電池基本構
 
造成電池失效產生危害的原因大致可分為內部與外部因素,其主要與隔離膜的熱尺寸安定性及機械強度有關,如圖二所示,內部因素為電池正負端點不當負載,例如過充、過放及在高溫環境下使用,使電池整體溫度上升造成隔離膜收縮;而外部因素主要是電池外殼受到外力擠壓,如撞擊、穿刺、壓碎造成隔離膜破裂,使電池內部結構出現微短路,導致燃燒爆炸的安全性問題。因此,為了避免電池因隔離膜失效產生過熱情形,目前市售鋰電池在安全設計上應用熱阻隔層( Heat Resistance Layer )技術來改善電池的安全問題。
  
熱阻隔層技術應用現況
熱阻隔層技術因可提升鋰電池之安全性、隔離正負極有效抑制熱源傳遞、提升耐熱性及尺寸安定性而逐漸被應用,其依照熱阻隔層設計導入電池結構中大致可分為兩類:(1).塗佈於正極或負極極板上;(2).單面塗佈或雙面塗佈於隔離膜上,或作為內部塗層(圖一)。
 
LG Chem及松下 Panasonic 兩家公司分別將熱阻隔層塗佈在正極和負極極板的表面上,其無機材料組成主要以金屬氧化物為主,以氧化矽和氧化鋁居多,如圖五所示,LG Chem在正極極板表面塗佈一層有機/無機粒子多孔層,利用具有吸熱特性的無機粒子來吸收熱量;Panasonic 則是利用奈米氧化鋁塗佈於負極極板上,形成一厚度約 3~5 μm之無機多孔層( HRL ),其多孔結構能增加對電解液的潤濕性,以利鋰離子擴散,藉由塗佈熱阻隔層材料來提高電池的安全性。有相關研究指出,將熱阻隔層設計在負極極板上,較不影響電池原先的電化學特性,不僅能有效抑制電池內部的熱所引發連續化學放熱反應( Thermal Runaway ),還能增加負極材料對電解液的吸附性,最重要的是能降低電池內部發生短路所造成起火燃燒的風險。
 

圖五、熱阻隔層塗佈於電極示意圖
 
熱阻隔層塗佈在隔離膜表面上的工藝技術較為困難,除了塗層要能在隔離膜表面形成一均勻的連續相外,還要保持原先隔離膜的孔隙率,不能將隔離膜的孔隙堵住以利電解液中的鋰離子傳遞進出,避免增加隔離膜阻抗,目前國際大廠為了解決鋰電池的安全問題,所採用的對策辦法為導入熱阻隔層材料於聚烯烴隔離膜表面,以提高隔離膜的高溫尺寸安定性及機械強度。陶瓷複合隔離膜是基於此原理發展起來的新型高安全隔離膜材料,它是在隔離膜的單面或雙面塗佈無機陶瓷材料所形成的一種有機/無機複合功能性隔離膜材料,如圖六所示……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。
 
作者:黃莉婷、潘恩郁、蘇俊瑋、呂奇明/工研院材化所 
★完整內容請見下方檔案。

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