車用高能量鋰電池技術(上)

 

刊登日期:2016/3/5
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近年來,因地球暖化及細懸浮粒子 PM2.5 污染問題讓電動車輛的發展倍受重視,並大幅帶動車用鋰電池技術的發展。當電動車從 HEV 朝向 PHEV、BEV 發展時,節能減碳效果愈加明顯,也更需要高能量密度及高安全的鋰電池,來簡化組裝並提高系統可靠度。在電動車用電池部分,也面臨與可攜式電子產品應用一樣的狀況,作為電動車主要動力來源的電池技術,仍然有能量密度有限,不足以支援車輛長途行駛問題。

另外,搭載過多電池也會墊高整車成本使售價難以令人接受,和過多電池使用時衍生的安全性問題。一般而言,電動車用鋰電池會優先要求安全可靠性、長壽命、高能量及高功率;目前車廠採用的車用鋰電池形式主要有 18650 圓柱型、方形大電池及鋁塑膜軟包裝電池等三種,各種形式的電池具有不同的特性,在組成電池系統時有不同的考慮點,但相同點都是希望電池的能量密度能夠進一步的提升。本文將從鋰電池元件觀點出發,介紹提升電動車電池能量密度的相關技術,並介紹不同形式電池設計的特性及其對應之模組/系統技術的考量。

鋰電池芯技術
鋰電池芯的主要組成元件包括正極、負極、隔離膜、電解液、罐體結構及安全裝置等。目前應用於電動車電池的正極材料主要是不同結構的鋰金屬氧化物;負極材料主要是碳材、高能量複合材及鋰鈦氧化物;隔離膜主要是多孔PE(PP)膜或陶瓷膜;電解液則包含鹽類及有機溶劑、添加劑等;罐體結構是用來保護內部極捲並形成導電通路;安全裝置主要是一些機械結構,提供電池異常時之洩壓或電流截斷作用,來保護電池安全。
1. 正極材料
鋰電池電容量的提升與電池所採用的活性物質有關,其中又以正極材料最具關鍵,正極材料依結構可大致區分為層狀(Layer)、尖晶石(Spinel)及橄欖石(Olivine)等三大已應用的材料,及其他開發中的結構材料,如固溶體(Solid Solution)、矽酸鹽(Silicate)、硫(Sulfur)、氧化釩(VanadiumOxide)等,如圖四所示。



圖四、鋰電池正負極材料的比能量與工作電壓關係

2. 負極材料
車用鋰電池負極材料的特性需求是長壽命、高能量密度、高功率、快速充電、低成本、良好低溫特性及低阻抗等性質。目前最普遍使用的負極材料為碳材,依其材料石墨化程度及表面處理不同,可分為天然石墨、人造石墨、硬碳及軟碳等,其電性表現稍有差異,電容量約在 200~600 mAh/g之間,平均工作電壓在 0.1~0.3V 左右。天然石墨能量密度高、成本較低但壽命較差,人造石墨藉由引入表面處理等工藝可提升使用壽命,但同時會提高成本;軟碳及硬碳等非晶型碳材具有較佳之快速充放電能力及壽命。另外,矽-碳複合材料因具有高能量的特性,已陸續導入電子產品電池中使用。


圖五、負極表面熱阻層之(a)外觀;(b)SEM剖面圖

4. 隔離膜
隔離膜是具有高強度、低熱收縮性、電絕緣性與多孔性的高分子薄膜,可避免正負極活性材料的直接接觸。當電池內部溫度升高時,隔離膜上的孔隙會因熱關閉,使得電極間的離子無法傳導,進而達到切斷電池電流的功用。閉孔(Shutdown)機制的啟動基本上是到達材料的熔點時,隔離膜會從固態轉換成液態,以聚乙烯(Polyethylene)材質來說,其熔點大約在 130˚C 左右。然而……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:謝登存 / 工研院材化所;羅一玲 / 台灣科技大學
★本文節錄自「工業材料雜誌」351期,更多資料請見下方附檔。

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