高安全極板技術

 

刊登日期:2017/3/5
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隨著國人對移動式元件裝置需求與日俱增,帶動高能鋰電池時代來臨。然而,電池製造商開始引用高能量材料、高電壓操作及電池組空間使用率降低等方式達到高能目的,進而可能造成鋰/鋰離子電池使用上的安全隱憂。因此,先進鋰電池製造商對此鋰電池安全防護研究,除靠電池外部元件防護外,也開始透過電池內部極板材料設計進行改良,如導入絕緣阻熱層於隔離膜或電極上,進行物理性防護與導入高分歧寡聚物來抑制化學反應。
 
電池安全設計
一般而言,用於鋰電池安全防護措施很多,如圖一所示,其中包括①電子電路設計:在電池模組上,針對每顆電池或是每個電池模組進行電壓、電流及溫度監測;②單電池機構設計:電池如發生過電流或溫度異常升高時,電池會在正/負極連接線路中形成斷路,如極柄端外加熱敏電阻(Positive Temperature Coefficient; PTC);加入過電流遮斷裝置(Current Interrupt Device; CID);或利用安全閥(Safety Valve)將電池內部產生氣體或可燃性氣體排出等;電池模組可加入多層隔板保護,其中包括由彈性材料製成的第一層和熱絕緣材料製成的第二層,除絕熱隔板可有效避免電池延燒擴散之外,另外因應添加的彈性材料則可延緩外力衝擊所帶來的損傷;③電池內部材料設計:包括隔離膜、電解液及電極等添加高安全材料進行改質或是改變原設計來提升電池安全特性。其中,熱危害的發生起源來自於電池內部,而當電池異常時,極板對所釋放熱能影響程度最大。
 
2. 隔離膜
一般常見之隔離膜(Separator)主要是由高分子物質所組成,具有電子絕緣特性以及微孔性(Microporous)結構,主要避免電池內部正/負極因接觸所造成的短路現象,同時亦容許電解液中離子的流動不受拘束。在鋰電池過熱時,可能會因為隔離膜機械強度不足而致使膜尺寸較易蜷縮,使得正/負極接觸而發生大面積內短路現象(Internal Short Circuit)。為避免隔離膜尺寸蜷縮問題,透過表一的隔離膜專利分析,顯示出各廠商針對隔離膜進行的表面改質或塗佈設計(如Asahi-Hipore隔離膜、Degussa-Separion隔離膜、Matsushita公司及Samsung SDI公司等),以提供電池製造商使用。


圖四、Matsushita Battery Industrial(MBI)公司推出之絕緣阻熱層(HRL)
圖四、Matsushita Battery Industrial(MBI)公司推出之絕緣阻熱層(HRL)

 
4. 安全電極技術
在先前所提及耐熱絕緣層技術部分,除塗佈在隔離膜上外,Matsushita Battery Industrial(MBI)公司也將絕緣阻熱層直接塗佈於極板之上,以緊密貼合極板,藉以避免因隔離膜大面積收縮時,透過該HRL層避免正/負極直接短路,進而發生電池危害。然而因應絕緣阻熱層導入,其含有高含量之絕緣無機粒子(如Al2O3)及低含量之有機高分子黏著劑之耐熱材料組成,往往易造成電池內阻上升與倍率放電不良,且無機填充物在使用過程中易剝落而失去其應有保護功能,故工研院材化所針對上述缺點開發高離子導電度的熱阻隔層材料—TOC,透過調控有機無機組成物之比例,以及利用黏土帶電特性增加鋰離子的傳導,改善目前市售含熱阻隔層之電池阻抗並維持其安全特性。圖五為目前工研院TOC(Thermal Tolerance Coating)材料開發現況,除已完成Roll to Roll製程測試外,另經過2 Ah鋁箔軟包電池驗證,發現其對於基本或倍率放電容量並無影響,再加上TOC中所含之無機黏土粒子可有效改善負極界面的離子傳導,將有助於未來鋰電池於高溫循環中壽命改善。


圖五、工研院新型耐熱絕緣材料(TOC)
圖五、工研院新型耐熱絕緣材料(TOC)
 

工研院材化所開發「自身終止高分歧寡聚物」(Self-Terminated Oligomers with hyper-Branched Architecture; STOBA)是一種具有高分歧結構、高規則性的「奈米級」化合物,分子量範圍在數千至數萬之間。此材料因其具充滿空隙的樹枝狀球型結構,在分子空隙內可以放入其他低分子化合物或金屬奈米粒子等,還可以設計樹枝狀的「末端基」部位,引入不同的元素或分子使它具有特定的化學反應功能,如遇熱時樹枝狀結構末端的「官能基」會互相反應,造成整個樹枝狀結構「內縮」;樹枝狀末端官能基還會跟隔壁的SOTBA分子鍵結,所有的STOBA分子便會連結成一大片的「立體網狀保護膜」。換句話說,如果將STOBA分子放在鋰電池內,當有過熱反應時,便能夠---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:陳振崇、陳立群、賴冠霖、羅仁志 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」363期,更多資料請見下方附檔。


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