新穎固態電池

 

刊登日期:2018/3/5
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固態電池技術屢有創新突破,依照目前消費性電子產品的需求,高能量密度與高安全、快充電等技術將是未來電池發展的重要指標。根據蘋果公司(Apple)在固態電池以及充電技術等相關專利之布局,以及觀察全球鋰電池之發展趨勢,固態電池將有望取代傳統液態電池成為未來消費性電子產品之電源主流。

本文從以下大綱,將針對全球電池大廠之固態電池發展技術,與近期相當火紅的超離子導體材料之應用發展,進行相關的簡介說明。
‧固態電池之優點
 1. 能量密度高
 2. 提升安全性
 3. 可撓曲性
‧新穎固態電池
‧固態電解質關鍵技術
 1. 聚合物固態電解質
 2. 氧化物固態電解質
 3. 硫化物晶態固體電解質
‧全固態電池電極材料
‧超離子導體設計
‧固態電池發展困難點
‧工研院開發之超離子導體應用


【內文精選】
2012年蘋果公司就已經積極開始布局全固態電池技術的專利,計劃把這種高能量密度、高安全性、可撓曲的新型電池用在iPad、MacBook等裝置,以及未來將要發展的穿戴式裝置上。另外,包括Sakti3、Cymbet Corporation、ProLogium、豐田公司等,在全固態電池的研發方面也積極的投入。全固態電池就是裡面沒有液體電解液,所有材料都以固態形式存在的電池。

固態電池之優點
為了解決電池安全問題及提高能量密度,各電芯廠都積極研發全固態電池,也就是將傳統鋰電池結構(圖一)中鋰離子電池的隔離膜和電解液,換成固態的電解質材料,使得固態電池具有:能量密度高、提升安全性、可撓曲性之優點。

圖一、鋰離子電池的結構示意圖,其中Li+(鋰離子)在內電路中,透過電解質(Electrolyte)傳導
圖一、鋰離子電池的結構示意圖,其中Li+(鋰離子)在內電路中,透過電解質(Electrolyte)傳導

新穎固態電池
現正開發研究之新穎固態電池則是導入超離子導體設計,來增進鋰離子遷移,在鋰電池材料技術能夠實現全固態電池前,新穎固態電池將成為另外一種有機會取代傳統電解液的技術。現今研究學者因應提升固態電解質性質,而所使用的各項固態電解質種類,如圖二所示。

超離子導體設計
一般鋰離子電池內離子運動主要透過遷移、擴散與振動這三種方式。而單離子在進行離子遷移時,所需跨越的能量障礙較高(圖三),相比較之下,多離子協同躍遷所需要的能量障礙較低。

X. He等人進行分子動力學(AIMD)模擬研究,針對Li10GeP2S12 (LGPS)、Li7La3Zr2O12 (LLZO)和Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP)的擴散機理進行探討(圖四、圖五),發現多數鋰離子均以高度協調的方式進行遷移,即多個離子在幾皮秒內同時躍遷到最近的位置。這種協同運動是在超快離子導體中的普遍現象,並且具有極低的躍遷能障。這種獨特的低能障的協同躍遷運動是實現超快離子導體的關鍵。

圖五、不同超離子導體結構傳輸路徑
圖五、不同超離子導體結構傳輸路徑

固態電池發展困難點
固態電池整體導電度低、內阻大導致在高電流放電時壓降較大,電池要進行快充基本上是不可能的。但固態電解質的導電度隨著溫度上升會有明顯的提高,所以全固態電池在高溫下操作能發揮良好的性能。因此目前市面上有些使用全固態電池的產品,實際上都不是在室溫下工作的,最典型的例子就是法國已經在運作的3,000餘輛使用全固態電池的出租車Blue Car,其電池採用是在70~80˚C下操作(電芯能量密度可以達到260 Wh/kg,優於現在商用的普通鋰離子電池)。

目前工研院材化所最新的研究成果如圖六、圖七所示,使用固態陶瓷無機超離子導體技術,取代部分液體電解質,可望再進一步提升…...以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

圖六、工研院開發之固態電池
圖六、工研院開發之固態電池

作者:李昱翰、陳振崇、賴冠霖、陳立群/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」375期,更多資料請見下方附檔。


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