微混合動力汽車之怠速啟停電池技術

刊登日期:2016/3/5
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近年來因應節能減碳的需求,汽車廠商發展應用於微混合動力汽車的怠速啟停系統,可提升燃油效率 4~15%,由於開發製造成本較低,市場成長快速。車用二次電池原以鉛酸電池為主,但受限於傳統鉛酸電池的瞬充效率(Dynamic Charge Acceptance; DCA)及淺充放循環壽命較差,除了先進鉛酸電池之外,鋰電池因具備較佳的瞬充效率及淺充放循環壽命,亦已導入怠速啟停系統。本文將對微混合動力汽車使用的二次電池技術進行介紹。

微混合動力汽車電池
使用於微混合動力汽車之蓄電池需具備以下特點:①長淺充放循環壽命②具備良好瞬充效率(DCA),即可承受高功率部分充電狀態。傳統鉛酸電池憑藉低初始成本及良好低溫性能,車用SLI(啟動、照明、點火)蓄電池均採用它作為儲電元件,然而,它卻無法承受高倍率部分充電狀態,處於該狀態時,硫酸鉛容易沉積於負極極板表面,造成性能及壽命的劣化(圖二)。為克服該缺點,還有其他儲能元件技術可作為選擇,包括:
2. 鎳氫電池
鎳氫電池可提供較 AGB電池更好的淺充放電循環壽命及能量密度,其缺點主要是面對極端環境的能力不夠,且無法更進一步降低成本。
3. 超電容
與電池不同,超電容的充放電機制並不涉及化學反應,這使它擁有相當優良的淺充放電循環壽命,但它的能量密度低於電池,且工作電壓等比於電量狀況(SOC)。



圖三、自動啟停系統及裝配電池發展趨勢

 
微混合動力汽車用鋰離子電池之發展
1. 鈦酸鋰負極材料
傳統鋰電池,其主要缺點在於安全性及循環壽命,為解決這個問題,以鈦酸鋰作為負極材料可解決壽命及安全性這兩個問題。但高工作電位(1.5V)及低比電容量(160 mAh/g)造成以它作為負極的電池能量密度較低,一直是鈦酸鋰遲遲無法拓展市場的原因。然而,自從啟停系統出現後,鈦酸鋰電池具高安全、高功率、壽命長的優點讓它得到了進入微混汽車市場的契機,亦開始有相關應用研究出現。工研院所開發之量產級鈦酸鋰材料,0.2C 電容量達 160 mAh/g,12C 電容量約 130 mAh/g(圖四),循環壽命>10,000 次,粉體之比表面積 ~8 m2/g,振實及壓實密度分別達 1.1及 2 g/cm3以上。


圖四 工研院開發量產級鈦酸鋰材料之充放電曲線

 
3. 錳酸鋰─鈦酸鋰電池
Kebin Chen 團隊採用 LMO/LTO 鋰電池體系,進行不同電解液系統的低溫性能測試,電解液A為最通用的電解液,電解液 B、C使用了低熔點配方以提升其低溫性能,本研究測試高中低 EIS(圖九)及冷啟動能力(圖十)測試,實驗結果確認 LMO 為限制 LMO/LTO 體系低溫性能的重要因素,原因可能是 LMO 粉體粒徑較 LTO大,造成更多的電壓損耗及導致更高的電荷轉換阻抗。此外,含有電解液C 之所以有較佳的低溫性能,應為具有低熔點及低黏度之溶劑 EA 所貢獻,測試注入電解液C之 40 Ah LMO/LTO 鋰電池,可通過 USABC 的冷啟動能力目標(表一)。除了陸續有研究團隊投入資源開發 LTO 電池外,也開始有商品逐漸打開市場。工研院材化所使用自製之鈦酸鋰(LTO)負極材料搭配商用錳酸鋰(LMO),製作……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:柯冠宇、廖世傑 / 工研院材化所;黃瑞雄 / 台灣中油(股)公司綠能科技研究所
★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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