鋰離子電池最新研究進展

 

刊登日期:2018/1/10
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金怡君/工研院材化所

引言
第68屆(2017)ISE國際電化學研討會暨展覽於美國羅德島州舉辦,會議主題訂為”Electrochemistry without Borders”,邀請電化學相關各應用領域之研究學者參與並發表演說。內容分為20個研究主題(Symposium),橫跨生物醫學、儲能科技、新材料分析技術、分子設計、電化學基礎教育等,內容十分精采豐富。本文將分享會議中有關鋰離子電池技術之最新發展,以期掌握國際潮流與市場趨勢。

鋰離子電池發展趨勢
鋰離子電池技術是電化學儲能的主流,鋰電池成本的逐年下降有效推動了儲能產業之快速發展,在多種應用領域都具有經濟性的競爭優勢。近幾年因歐美各國與中國推動許多新能源政策,區域性的限制部分柴油車與汽油車上路,並給予新能源車許多稅率優惠,使得純電動車之市場規模日益增大,故未來之鋰電池發展除了往更高容量邁進外,將更注重安全性與循環壽命。

在高容量電池發展上,鋰硫電池為其中一個熱門的研究主題。儘管硫作為正極材料具有極高的理論電容量(1,672mAh/g),但於實際應用上,鋰硫電池存在下列幾項關鍵問題: (1).充放電過程中之硫中間化合物的溶出;(2).硫和硫化鋰的高絕緣性;(3).高硫含量電極之相對較大的體積變化。再者,於高能量密度的需求下會將鋰金屬作為負極,相對的,卻延伸出負極鋰金屬穩定性的問題,例如鋰金屬在反應過程中長出枝晶(Dendrite),安全性受到挑戰;以及鋰金屬低庫倫效率的問題造成循環壽命降低等,為此,各界提出各種解決鋰硫電池與鋰金屬負極的策略,從SEI改質、電極結構、電解質、添加劑等,試圖改善電池的電化學表現及穩定性。

另一方面,在鋰電池的安全性提升上,固態電池材料成為一個重要之研究方向。相較於現行商用鋰離子電池使用的易燃有機液體做為電解質,固態電池採用鋰陶瓷化合物來取代傳統電解液,除了避免穿刺所造成的爆炸危險外,全固態電池也可完全避免漏液問題,使電池安全無虞。但目前為止,製作固態電池技術門檻較高,且在成本、電性表現及壽命上仍有待突破,故目前常見的方法是採用膠態與固態相互搭配之半固態策略,以求加速突破性能與量產瓶頸,但在安全性上還是與全固態有極大差距。期望各國專家學者持續努力,可於不久的將來達成商用化高安全、高能量之下世代鋰離子固態電池。

研討會重點精摘
1. 新穎鋰離子電池結構設計 (Christina Lampe-Onnerud/Cadenza Innovation, Inc.)
Cadenza Innovation, Inc.介紹一種新超大電池(Super-Cell)技術;多個開放性18650電池組件被安裝在一個陶瓷支撐構件內,此陶瓷支撐構件分別圍繞著大電池內部的所有18650單元,其具有強大獨特之安全性能,並可用低產品成本實現高能量密度,預計這項技術將能夠滿足美國能源部(U.S. DOE)所設立之電動汽車電池成本為125美元/千瓦時的目標。

該陶瓷複合材料由Morgan Advanced Materials所開發,其特殊設計是在遭遇機械破壞時會自體粉碎成粉末,降低應力擴張,不僅於正常使用下電池可獲得均勻的熱分佈,還可有效吸收由熱暴走(Thermal Runaway)狀況下所產生的熱量。此外, 若某一個18650組件不幸產生了內部短路,所開發的陶瓷外殼組件還可保護電池免受熱串聯傳播(Cascading Thermal Propagation)的影響,其歸因於被裝載到陶瓷纖維中的三水合鋁(Aluminum Tri Hydrate, ATH),因其具有兼吸熱與阻燃之效果,可使模具在高達約1000℃的溫度下還可維持穩定。ATH在大約200-220℃下會吸熱並分解,當發生熱失控時,可使電化學單元迅速淬冷(Quenches),並產生蒸汽排放。本產品藉由緊密的封裝結構並搭配有效之排氣機構和壓力斷開裝置(PDD),可實現具有高安全性且具高體積能量密度的大電池系統。講者於會議中亦展示它們組裝的30Ah超級電池,於短路測試時表面溫度可小於攝氏130度,並號稱在溫度模擬實驗中可避開極端的熱暴走行為。

2. 鋰金屬電池安全邊線探討(Peng Bai/Massachusetts Institute of Technology)
下一世代之高能量電池,如鋰空氣、鋰硫電池等,或使用嵌入型(Intercalation)正極材料搭配鋰金屬負極之鋰離子電池,在充電過程中會形成鋰枝晶而導致短路風險和電容量之損失。本研究介紹以下三種不同型態之電池,包含新型微型毛細管電池(Miniature Capillary Cells)、二極體電池(Junction Cells),與商用之三明治電池(Sandwich Cells)。實驗結果顯示,不同的電池結構對所施加之電流密度的敏感性不同,造成各相迥異的鋰枝晶生長機制。當所施加的電流密度大於系統特定的極限電流密度(Jlim),電極表面附近的鋰離子濃度在Sand’s Time將耗盡到零,此時過量的鋰金屬將------以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

圖三、毛細管電極中的鋰金屬枝晶成長過程與三層安全邊界之結構設計
圖三、毛細管電極中的鋰金屬枝晶成長過程與三層安全邊界之結構設計


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