工業材料雜誌三月號推出「高能量動力鋰電池」與「碳纖維複合材料」技術專題

 

刊登日期:2017/3/8
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高能量動力鋰電池—啟動全球電動車革命之鑰 
發展高安全、高能量、低價與長壽命的動力鋰電池應用於電動車輛與儲能系統,是節能減碳議題下,鋰電池技術最重要的課題。動力鋰電池(電池管理)系統約占電動車成本的30~40%,是電動車三大關鍵次系統中最重要的一環。在電動車銷量攀升、電池成本跌降兩股趨勢力道帶動下,自2013年至2025年,預估電動車動力鋰電池需求量將成長約10倍,2025年動力鋰電池需求量將達50,000 MWh,市場銷售額達250億美元。而全球電池儲能系統市場也將由2015年的1,313億日圓,成長至2025年達7,423億日圓。
 
本期工業材料雜誌「高能量動力鋰電池」技術專題聚焦電動車用高能量鋰電池技術,包括全球電動車市場回顧與展望、高容量鎳系氧化物正極材料、高容量矽負極材料、高安全極板及鋰電池與模組熱模擬與安全性等技術探討,透過新世代高能量動力鋰電池材料與製程技術研發的剖析,希望帶動各界對儲能元件與系統的重視,投入新世代高能量動力鋰電池材料與製程開發及投資,以解決電動車、電動機車、電動巴士與再生能源儲能系統的電源需求瓶頸,建構國內完整的上/中/下游產業鏈,並掌握未來鋰電池材料、高能量動力鋰電池與電池模組等產品熱騰騰的商機。
 
全球電動車市場回顧與展望」一文首先快速掃瞄2016年全球電動車市場:銷量已突破190萬輛水平,以混合動力車種為銷量主力;日本、美國及中國大陸持續位居電動車單一銷量國前三位;Toyota、Honda及Nissan等前三大品牌市場市佔逐漸被後追者侵蝕,Prius、Aqua及RAV4為單一車型銷量前三位。預估2020年,混合動力車仍為電動車主力車種,燃料電池車則具快速成長之勢;今(2017)年隨日本政府延長環保車減稅措施、美國加州電動車銷量持續熱絡、中國大陸混合動力車及自有品牌車型銷量持續成長,預估全球電動車銷量可望突破200萬輛,創造10%以上成長率。後續如何乘電動車發展之勢,找尋國內產業既有優質零組件在全球供應鏈中的角色定位提前布局,值得思考。
 
在電動載具的應用裡,為了維護車載人員的生命財產,評估電池與電池模組的安全性在車用電池模組裡相當重要。由於電池材料多元化,電池內部材料系統的資料難以取得,「熱模擬分析在鋰電池安全性的應用」一文揭示,利用一般簡單的單電池量測資料,例如充、放電的電壓電流與溫度變化等,搭配單電池熱測試的實驗數據後,可藉由單電池的預測,透過計算方法,推展到全模組,使模組安全性評估得以簡單並快速進行。
 
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。電池製造商引用高能量材料、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,但也造成鋰/鋰離子電池使用上的安全隱憂。在未來鋰電池市場中擁有更高的能量需求,單一的安全防護設計已不足應付高能量鋰離子電池市場所需。「高安全極板技術」一文提出先進鋰電池製造商對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,或導入高分歧寡聚物來抑制化學反應。
 
具元素濃度梯度的鋰離子電池正極材料」一文介紹包含有鎳/鈷/錳等電化學活性元素或是鋁/鎂等摻雜元素,在材料粉體中呈現表面與核心間具有濃度梯度的結構材料,將較具穩定性的元素集中於正極材料表面,而較高容量的鎳元素集中於正極材料核心,結構設計可以充分發揮各個元素的特性,並能以低劑量的摻雜元素即可達到高劑量元素摻雜的提升材料性能效果,達成鋰電池正極材料可在強化結構穩定性及使用安全性的同時,亦兼顧材料的能量密度及放電能力,以製作高效能與高安全的鋰電池。
 
而為提升現有可攜式電子產品性能及加速未來電動動力載具發展,「矽」被認為是最有機會成為高能量鋰電池負極的材料。「高能量鋰電池矽負極材料發展近況」一文介紹近期矽負極材料改質相關的研究方向:從材料結構空間設計、材料微細化及添加高導電性碳材等方法,企圖降低矽在充放電過程中體積膨脹的效應及提升材料整體導電性。文中並簡述工研院材化所透過矽的微細化,選用不同的碳材做複合以及材料配比的調整,合成高能量矽碳負極材料,獲得具有起始電容量高於600 mAh/g、不可逆電容量低於20%,展現良好的倍率放電及穩定的循環壽命特性。
 
碳纖維複合材料—輕量化高強度的最佳選擇 
早期應用於運動、休閒產業的纖維複合材料,近年因節能與環保議題高漲,成為材料輕量化與高強度的主流選擇,應用領域擴展至航太、風機葉片、軌道車輛、汽車、智慧機械、3C組件、建材、高壓容器等工業產品。根據市調資料,2015年輕量化材料市場規模為1,166億美元,市場年成長率13%,預計至2019年市場規模將超過2,000億美元。而在循環經濟訴求下,為縮短製程時間,熱塑纖維複材成為未來發展趨勢。在此浪潮中,工研院材化所也積極投入輕量化穿戴式碳纖維輔具結構設計與製程技術,設計兼具低模具費用、低加工量、低設備投資的新製程;並開發一種水性高分子改質劑作為碳纖維表面處理用,提高碳纖維與熱塑樹脂間的接著力。
 
本期工業材料雜誌規劃「碳纖維複合材料」技術專題以四篇專文--「奈米碳纖維制振複材與應用」、「纖維複合材料設計與力學模擬」、「從國內軌道車輛運輸市場看FRP產業之發展與商機」、「碳纖維複合材料壓縮強度量測方法之探討」,由市場商機與技術能量雙軌帶領讀者對纖維複合材料有更深的了解,加速輕量化纖維複合材料的產業應用。
 
奈米碳纖維制振複材與應用」一文探討奈米制振材料於碳纖維複材制振手臂的應用,包括制振材料原理、碳纖維制振複材機械支臂製作與功能量測驗證。這項技術可提高碳纖維複材之阻尼效果,並提高其共振頻率,碳纖維制振複材桿件在實機系統於高速下急停後,可快速衰減殘餘振動,制振效果顯著,振動衰減時間大幅縮減約55%,可有效縮短並聯型機械手臂運動周期,提高其效率。經過驗證,碳纖維制振複合材料製成的桿件具優良的剛性,抑制振動效果卓越,其重量又比鋁合金桿件輕,很適合應用於並聯式機器人的支臂,並可取代現有高剛性或輕量化鋁合金支臂。
 
在結構輕量化趨勢下,隨著成本降低,碳纖複材未來將大量運用於軌道車輛、自動化機械手臂等高速移動的結構體。而纖維複合材料屬非等向性材料,設計時所需的計算分析比一般等向性的金屬複雜許多。如何利用其高度非等向性,精準設計為必須的手段。善用複材疊層設計工具,導入電腦輔助工程,將可進一步發揮結構的最大效率。「纖維複合材料設計與力學模擬」一文簡介纖維複合材料的結構特性與力學基本分析方法,以及電腦輔助工程分析中之纖維複材前後處理工具,包括工研院材化所開發的一纖維複合材料疊層設計介面:ACP-Tools,並以FRP全罩式安全帽之應力分析做為說明實例,結合優化模擬分析,可以達到目標化的輕量結構設計。
 
全球環保節能浪潮正夯,軌道車輛是眾多運輸工具中CO2排放量最低以及載運率最佳的一種交通工具。國內目前已規劃多項軌道運輸建設工程,預估未來10年內國內軌道運輸系統市場將達新台幣4,185億元。隨著國內軌道交通對於輕量化、舒適度等性能要求越來越高,某些條件下傳統金屬材料已經很難滿足此種要求,複合材料具有優越的機械性質與加工性,在軌道車輛的內裝材料、承載結構乃至於車體結構、轉向架及軌道週邊配件等,皆具有其發展優勢,勢將逐步取代各種金屬材質有遼闊的發展空間。「從國內軌道車輛運輸市場看FRP產業之發展與商機」一文對國內複材在軌道車輛領域之市場商機及技術能量有深入之剖析報導。
 
纖維複合材料主要由加強材與基材所組成,常以疊層設計應用於機械結構中,其壓縮強度通常小於拉伸強度,故壓縮強度為纖維複合材料應用時須考慮的重要關鍵因素。「碳纖維複合材料壓縮強度量測方法之探討」一文透過實驗及數值模擬,研析量測實驗方法對碳纖維複合材料壓縮強度的影響。根據有限元素分析,夾持剪切力所造成的應力集中現象,對於壓縮強度量測扮演著重要的角色。研究結果發現調整夾持的位置可以降低應力集中的影響,並提升量測的壓縮強度值。
 
主題專欄 
市場瞭望專欄鎖定「汽車輕量化材料發展趨勢」探討最新車用材料需求與應用。由於全球各地的燃油經濟性法規日趨嚴格,為了改善燃油效率、減少二氧化碳排放量,汽車必須不斷進行減重。車體結構合理化是首要工作,但若要更進一步達成輕量化目標,未來汽車必須要採用新的製造工法,在車用材料也要有「更激烈」的轉換。車廠輕量化的腳步不曾減緩也不會停止,五年內汽車輕量化勢必仍然是各國及各大車廠的主要努力目標。未來車用材料的應用預期可分為三個方向:高強度鋼材、輕質材料(鋁/鎂/超高強度鋼材等)及碳纖維材料;「多材料組合的輕量化結構以及如何讓合適的材料用於合適的部位」將成為輕量化選材的發展方向。
 
目前市售的鋰電池組大多會搭配電池管理系統的電路板,除了提供電池資訊之外,最基本且最重要的就是保護功能,目的在於防止電池組充/放電使用階段的異常操作導致電池組發生危害。常見的保護功能不外在於電壓、電流、溫度等保護,目前許多車用電池組的保護功能仍沿用3C產品的設計,但車用電池組的工作環境,例如:工作溫度、工作電流、雜訊干擾、機械振動等,比起3C產品使用環境嚴苛許多,因此,直接將3C架構的保護功能套用在車用電池組,會因為上述原因導致誤判機率增加,進而衍伸出許多安全性與可靠度的問題,甚至是行駛中因為保護功能的誤判,而直接關閉電池輸出,造成車禍意外。能源/儲能專欄「車用電池組保護功能簡介」一文說明如何以多訊號源比對方式,來降低車用電池管理系統在保護功能方面的誤判機率,並藉此提高電池組的安全性與可靠度。
 
光電/顯示器專欄接續上期討論「由VR虛擬實境顯示需求談高解析度AMOLED技術」,列舉出未來可能取代現今製程方法的候選技術,以及這些技術如何突破現今製程的框架達到大於2,000 ppi解析度。最後提出一種具有原創性的技術來實現光學解析度極限的發光元件,希望能拋磚引玉激發出更多的創意。
 
技術發表會專欄則介紹「印刷工藝—實現真正100%開口之太陽能鋼版印刷技術」,耕耘網版與鋼版產業接近四十年的正中科技公司,專注於技術扎根以及資源整合,服務對象遍及兩岸三地半導體業、電子零組件業、觸控面板業、生物科技業以及太陽能產業,無論在產業創新及專利布局均為客戶及產業提出解決方案。近年來持續深耕於太陽能電池片的正面電極印刷,已成功開發出28微米細柵線寬及寬高比超過0.75的完美印刷成果,此為一新型態鋼版印刷技術,顛覆過往傳統印刷模式,將引領印刷製程直接推向低於30微米的新境界。
 
材料補給站專欄帶領讀者親臨2017年1月在東京國際展覽館(Big Sight)盛大舉行的9th Light-Tech EXPO—LED/OLED開發應用技術展,同步還有46th NEPCON Japan、9th Automotive World、3rd Wearable EXPO,以及新推出的1st RoboDEX 與1st Smart Factory EXPO。這場2017年開春最大型的商談會吸引來自全球28個國家的2,250家廠商參展,3天展會共有超過11萬名業內人士進場參觀,不論參展商數或參觀人數都雙雙寫下新高紀錄。「從Light-Tech EXPO、NEPCON與Wearable EXPO 2017看照明、構裝與穿戴式裝置最新發展」一文提供第一手直擊報導,讓讀者近身感受展場重點,探索更多新的體驗與想法。
 
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