高能量電池在穿戴式電子產品之應用

刊登日期:2016/2/5
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隨著智慧型手機、平板電腦等3C電子產品的成熟,急需尋找下一個殺手級電子產品,來驅動全球電子產業的發展。從美國消費性電子展(CES)中,Apple、Google、Samsung、Sony 等廠商都發表穿戴式電子產品,可以清楚地看出穿戴式電子產品將是未來電子產品的發展趨勢。穿戴式電子產品需要輕薄體積且使用時間長,因此需要開發高能量電池來解決穿戴式電子產品的使用瓶頸,本文將針對高能量鋰電池與高容量電極材料發展作簡要介紹。

穿戴式電子產品應用與電源需求
穿戴式電子產品隨著使用情境的不同,種類非常多樣化,包括智慧眼鏡、智慧手錶、穿戴式電腦、智慧型手環、智慧體感衣服等。然而,穿戴式電子產品除了需要考慮到功能多樣化、重量輕、輕薄體積外,更需要考慮長時間使用需求,這是目前穿戴式電子產品的設計限制。因此,需要開發高能量鋰電池與材料技術來解決穿戴式電子產品的使用瓶頸。

CES 與 MWC 2014 展覽後,穿戴式電子產品成為未來電子產品的發展趨勢,目前穿戴式電子產品的電池主要是由 ATL、Samsung、興能高、天津力神所提供。根據工研院 IEK 的預估,穿戴式電子產品的電池應用市場將從 2014年的 77 MWh,成長至 2018年的 474 MWh (如圖六所示)。



圖四、主要手機大廠(a)LG;(b)Samsung;(c)Apple的智慧手錶應用產品


圖六、穿戴式電子產品的電池應用市場分析

 
高能量鋰電池技術趨勢
開發高能量鋰電池中最具代表性的是松下(Panasonic)電池公司,松下在高能量鋰電池的產品包括:①圓筒型電池(18650型),目前的技術仍是領先業界,使用 LiNiCoAlO2 正極與石墨混摻少量 Si 的負極,使得圓筒型電池容量達到 3.6Ah,能量密度為 750 Wh/L;而提供給 Tesla 電動車使用的電池容量為 3.2Ah,能量密度為 673 Wh/L;②方型電池能量密度達到620 Wh/L;③鋁箔袋型電池的技術能力提升,主要是使用高電壓 LiCoO2 (4.4 Volt) 及 LiNiCoMnO2 混合型正極,再利用石墨混摻少量 SiO 負極,來提高鋁箔袋型電池的能量密度達 670~700Wh/L。圖七為松下電池公司發展高能量鋰電池之技術演進。

異形電池設計在高能量電池之應用
除了使用高克電容量正極材料,提高正極材料充電電壓與使用高電容量Si負極材料外,手機及穿戴式電子產品的電池也朝向改變傳統電池形狀與設計,成為各種異形電池。除了異形電池設計(曲度電池、階梯性電池與複合形狀或不規則電池),高能量鋰電池未來也朝薄型可撓曲電池發展,目前的薄型可撓曲電池電容量稍低,主要分為無機全固態電池、有機全固態電池與薄型固態電池。詳細固態電池的討論,將在本專題中的其它文章介紹,圖十四為各種薄型可撓曲電池的比較。

高容量負極材料在高能量電池之應用
根據法國 Avicenne Energy Report 指出,2013 年全世界鋰電池負極材料的市場約 47,500 噸,其中天然石墨為 30,000 噸(64%),人工石墨為 13,000 噸(27%),介穩相球狀碳材為 2,000 噸(4.2%),非晶質負極碳材為 1,500 噸(3%),矽錫合金負極為 800噸(1.7%),鈦酸鋰( LTO )負極為 200 噸(0.1%)。

鋰電池負極材料的領導廠商包括Hitachi Chemical、BTR、Nippon Carbon;新進的廠商包括:3M、Dupont、Shin-Etsu、Dow、Envia。導入矽負極材料於高能量鋰電池主要以韓系與日系的鋰電池廠商為主,包括 Samsung、LG、Sony、Panasonic、Maxell 等。目前高容量負極以矽基負極材料為主,包括 Si、SiO、Si/C 等,日本信越化學(Shin-Etsu Chemical Co.)產品主要以……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:陳金銘 /工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」350期,更多資料請見下方附檔。

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