固態電池最新發展

 

刊登日期:2018/4/23
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李守仁/ 健行科技大學;白立文/ 工研院材化所

2017年7月法國與英國相繼宣佈:「將於2040年停止銷售燃油車」,同一時刻,中國開始檢討全面禁止燃油車的時程,這些政策不約而同地宣告了電動車時代的來臨。2017年10月東京車展,豐田汽車副社長Didier Leroy表示:「豐田全固態電池專利申請數已居全球之冠,今後將以200人的研發團隊加速開發即將改變遊戲規則的下世代全固態電池,預計2025年達成實用化」。在全球環保浪潮下,交通運輸電氣化勢在必行,然而作為汽車業的龍頭老大-豐田已擁有號稱「終極環保車」的燃料電池車可資備戰,固態電池有何優勢值得其大動作的推崇呢?

作為繼鋰離子二次電池之後的新一代純電動車用電源,固態電池備受業界期待,其技術目前正朝向實用化發展。一般鋰離子二次電池係由正極、負極以及作為鋰離子通道的電解質等組件構成,其中鋰離子二次電池的電解質普遍為易燃性液體,而固態電池的電解質則採用固體,兼具不易燃、安全性高、容量大等優點,故受到期待。電極材料關係到電池容量,電解質材料則主宰電池的輸出功率,二者之組合與電池壽命等息息相關,這些方面的性能改良是日本各機構更是現今研發鎖定的重點。日本物質材料研究機構以矽作為全固態電池的負極材料,可有效將負極容量提高至約10倍。東京工業大學與豐田汽車等則通過改良電解質提高了全固態電池的輸出功率。而大阪府立大學透過正極材料改質,可提高了全固態電池的壽命。截至目前為止,日本各相關研發機構仍力爭於2020年代前半期將全固態電池推向實用化。

目前上市的電動車多是搭載鋰離子二次電池作為動力輸出來源,但鋰離子二次電池的安全性、充電時間、乃至續航力等,至今仍未有完善的技術提升方案。固態電池:顧名思義,由於不含電解液,故固態電池沒有漏液、揮發、著火之危險性,因而大大提升電池的安全性;此外,可「超快速充電」,可於數分鐘內充達80〜90%電量;且能量密度高(圖一)而低自放電率;可採多層化結構,其電池設計自由度較高;可撓式設計可直接製作裝於基板表面,故其電池組可零組件化。

圖一、二次電池能量密度與功率密度關係圖
圖一、二次電池能量密度與功率密度關係圖

為何固態電池能具有高能量密度? 主要原因如下:
1. 使用較高能量密度、高電位的材料
由於採用固體電解質,相較於傳統液態電解液,電極材料不會受酸性環境影響而造成活性物質溶解析出,,並可搭配之具高電化學穩定性的材料選擇較多,甚至可使用具高輸出電壓或高電流容量密度之正、負極材料,例如:含硫正極與金屬鋰負極組成的LiS固態電池。

2. 簡化電池封裝製程
由於沒有漏液疑慮,其安全性較高,電池封裝時可簡化確保安全治具、冷卻元件等程序,對於同容量的電池,其可小型化。

3. 全新的電池設計
由於電極與固體電解質薄型化,可進行多層積層等設計,大幅提升電極活性物質的使用效率---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


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