高分子電解質材料發展現況

 

刊登日期:2016/2/5
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隨著時代的進步,對於儲電載具能力的要求越來越高。鋰離子二次電池具有高工作電壓以及高能量密度的優勢,因此應用範圍不斷向外開拓。但在電極材料技術往高容量聚焦的同時,高穩定性與高安全性規格需求即更顯重要。但現有液態電解液囿於先天限制無法符合需求,因此開發新型態之電解質將勢在必行。本文將簡短介紹高分子電解質材料之發展現況及其展望。

二次電池的發展已超過一個世紀,隨著應用載具對於能量密度不斷的要求,鋰離子二次電池挾其高工作電壓及高能量密度的優勢已在二次電池家族中占有一席之地。但隨著科技產品朝向更輕薄短小的趨勢發展,電池能量與功率上的要求將不斷的提升,然而,受限於現行商品化之正負極材料的工作電壓區間以及實際電容量的本質限制,現行液態鋰離子電池之重量能量密度偏低,循環壽命有限,導致單位蓄電容量無法拉高。此外,若僅由正負極材料端提升電池之能量密度,將加速誘發電化學電池一連串安全問題,其中包含漏液、膨罐、發熱、冒煙、燃燒、爆炸,嚴重限制使用性。

以圖一為例,解釋水溶液電解液的開路能量分布圖。由於液態電解液受其先天上之限制,不但有安全性的問題,還限制了鋰離子電池的操作電壓,因此採用固態電解質解決上述問題之想法乃油然而生。固態電解質可大致區分為高分子電解質及無機系電解質,本文將先簡單介紹高分子電解質,並針對目前的產業現況進行報導。以下為目前世界各國開發高分子電解質的產業現況。
1.  BatHium Canada
1979年成立於加拿大的一間專門生產有機固態電解質的公司,其母公司位在法國具有近乎兩百年歷史的法國工業集團Bollore,為世界前500大企業之一。BatHium的產品主要為具有PEO鏈段的高分子衍生物LMP®搭配離子液體所製備出的固態電解質,並應用於電動車市場。


圖四 (a)LMP®分子構造之一;(b)以LMP®作為固態電解液主材料的電池

4.  Imprint Energy
創立於 2010年,由一群來自美國加州柏克萊大學的研發團隊,因突破以鋅為負極的二次電池技術( ZincPolyTM )所成立的一家公司。創立至今,致力於生產極薄與可撓曲,且具有高安全性與低成本製造的高能量密度電池,希望藉由 ZinPolyTM 的成功,應用在許多穿戴裝置上,打破由於傳統電池而侷限住的設計,進而發展許多新電子產品,同時在電池材料取得和生產方式上對環境的破壞降至最低。


圖八、以ZincPolyTM作為特殊電解質所開發之可撓曲式固態電池

7. Brightvolt
Brightvolt 公司研發之超薄可撓薄膜電池,如圖十一所示,電池厚度介於 0.37mm~0.45mm之間,電容量可達 10 mAh ~ 28 mAh。此高能量密度電池(Flexion)係採用聚醯亞胺系(Polyimide-based)電解質,將 45~60% 可溶性聚醯亞胺與 10~15%的鋰鹽及 20~40% 的溶劑均勻混合並塗佈至正極上,再與鋰或鋰合金負極共組合成電池。

8. SolidEnergy
SolidEnergy 公司研發具有固態高分子鋰電池的安全性,及能量密度之固態高分子離子液體(Solid Polymer Ionic Liquid;SPiL),此電池實現高能量密度(如圖十二)和廣泛溫度應用範圍,非常適合電動車輛和消費電子產品之使用。

9. 工研院研究現況
目前工研院使用表面修飾 PBMI 及特殊交聯劑降低鋰離子傳輸介面阻抗,並同步提升正極之高電壓穩定性,搭配膠態電解質與鋰金屬負極已可組成電容量達……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:張志清、林嘉男 、吳偉新、方家振 /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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