動力鋰電池正負極材料發展趨勢

 

刊登日期:2017/9/18
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廖世傑/工研院材化所

目前全世界的鋰電池市場約125 GWh,其中動力鋰電池市場約佔一半,且預計未來10年仍將持續快速增長。2016年中國44家動力鋰離子電池企業共生產銷售各類動力鋰離子電池43.4GWh,產值786億人民幣。其中,磷酸鐵鋰(LiFePO4;LFP)電池為27.8GWh,占比64.1%;三元(LiNi1-x-yCoxMnyO2 ; NCM)電池13.5GWh,占比31.1%;錳酸鋰(LiMnO2; LMO)電池1.2GWh,占比2.8%;鈦酸鋰(Li4Ti5O12; LTO)電池0.9GWh,占比2.1% 。以目前世界各國的電動車發展狀況來看,鋰電池可確定為未來新能源車動力之主流,新材料及新電池技術仍不斷進步發展,能掌控新鋰電池及材料技術,即握有未來發展契機。

動力鋰電池及材料整體技術路線將遵循高能量密度、高功率、長壽命和高安全等方向發展。三元正極由於高能量密度適合用於乘用車,而鋰鐵正極由於高安全性適合用於商用車。乘用電動車三元動力VDA電池能量密度目前為180Wh/kg,循環壽命要達到1,500次以上。2020年能量密度目標300 Wh/kg,2025年達到350Wh/kg,規劃到2030年為500Wh/Kg。而在電巴等商用車方面,鋰鐵LFP電池能量密度目前為140Wh/kg,2020年的目標為160 Wh/kg,而壽命則要達到8年循環壽命6,000次。快速充電LTO電池能量密度目前最高為80Wh/kg,循環壽命10,000次以上;至2020年的能量密度目標為120 Wh/kg。

在高能量正極方面,材料選擇遵循由 NCM 111、523逐步提升至 NCM 622、NCM 811及 NCA (A=Al)等高鎳(Ni-rich)的路線。在鎳含量增加的同時,粉體材料在電池製程中吸收水氣,就造成電池脹氣的問題愈嚴重,必須加以解決。除了增加鎳含量之外,藉提升充電壓至4.4V來增加電容量是另一趨勢(圖一)。一般NCM 622和811分別在4.6V與4.4V以下充電,晶體結構不致產生不可逆相變化。但在提升充電電壓時,材料之穏定及安全性還是必須特别加強。高鎳NCM吸水造成電池脹氣及在高電壓下之安全壽命問題,可藉由正極粉體表面奈米披覆層及摻雜金屬元素來解決(圖二)。另一具發展潛力的高能量正極是克電容量大於250 mAh/g之富鋰(Li-rich,Li2MnO3­-LiNi1-x-yCoxMnyO2)材料(圖三),但其放電電壓隨循環次數而降低的問題必須解決,國際上研發改進方向不外乎摻雜及粉體表面奈米披覆。

圖一、三元NCM正極藉增加鎳含量及提升充電壓來增加能量密度
圖一、三元NCM正極藉增加鎳含量及提升充電壓來增加能量密度

圖三、富鋰(Li-rich,Li2MnO3­-LiNi1-x-yCoxMnyO2)正極材料之充放電圖及放電壓隨循環次數下降圖
圖三、富鋰(Li-rich,Li2MnO3­-LiNi1-x-yCoxMnyO2)正極材料之充放電圖及放電壓隨循環次數下降圖

在高功率正極材料方面,平均放電電壓4V/克電容量145 mAh以上的磷酸鋰鐵錳(LiMnxFe1-XPO4;LMFP)及4.7V/克電容量135 mAh以上的鋰鎳錳氧(LiNi0.5Mn1.5O4;LNMO)是未來發展主要方向。前者可取代-----以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


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