高安全電池極板技術

 

刊登日期:2018/7/5
  • 字級

在全球節能減碳的趨勢下,許多國家都將車輛電動化作為溫室氣體減量的重要措施之一,推動相關政策並積極發展電動車產業。過去,在全球電動車市場中,主要以100~120 Wh/kg磷酸鋰鐵電池作為電動車輛動力,然而隨著現今政府政策與民生需求提高,朝向高能量密度(>125 Wh/kg)鋰電池發展,雖然一方面可增加民眾使用便利性,一方面可提升相關產品的接受度,但卻很可能造成該高能量電池使用上安全的隱憂。因此,須提供鋰電池一更全面完善的安全解決方案,先進鋰電池製造商研究鋰電池的安全防護,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與導入高分歧寡聚物來抑制化學反應。

本文將從以下大綱,針對電池內部極板安全防護技術進行說明與介紹。
‧前言
‧鋰電池安全失效原因分析
‧安全電極設計
 1. 絕熱陶瓷塗層
 2. 多層活物極板塗層結構
 3. 熱敏陶瓷塗層
 4. 阻熱分子塗層
‧結論

【內文精選】
鋰電池製造過程涵蓋諸多流程,尤其是正極材料使用上,技術門檻很高,且材料選擇多元,因應不同應用的產品所搭配材料系統也不同。而在電子產品市場中不管是電動車為了增加續航力或延長3C產品使用時間,鋰電池設計勢必將朝向更高能量密度方向前進,因而多使用高能量密度的正極材料,如鎳鈷錳、鎳鈷鋁與鋰鈷等氧化物材料。

影響電池失控爆炸的原因有很多,主要大致歸納於電池內部短路(Internal Short Circuit)、外部短路(External Short Circuit)與過充電(Overcharged)等三大項。而針對電池內部材料引起的內短路或熱失控(Thermal Runaway)現象,是目前各大電池廠與專家學者們需要克服的重要議題。工研院材化所針對電池材料內部安全防護技術開發已有多年經驗,提出許多有效的鋰電池內部安全防護技術,並具備完整的專利布局。

鋰電池安全失效原因分析
一般而言,鋰電池雖由有機/無機材料與金屬材料組合而成,其所使用各材料都可能會在電池反應過程中老化。圖一顯示最常見的鋰離子電池(Lithium Ion Battery)化學老化衰退機理,這些機制取決於許多因素,例如電池化學性質、電池製造品質、電池操作條件及使用狀況等。

圖一、常見的鋰離子電池老化衰退機理
圖一、常見的鋰離子電池老化衰退機理

電池因內部短路所造成的事故中,以Samsung Galaxy Note 7電池燃燒最受全球矚目。Galaxy Note 7設計採用鋰高分子電池(Lithium Polymer Battery,俗稱鋰聚合物電池),且其所用主要零組件與目前市售電池並沒有明顯的不同,根據先前多方說法及相關網路事證來看(圖二),恐由於追求高能量密度,犧牲隔離膜的厚度或是讓正/負極極板的位置過於接近,造成電池內部易發生短路而引起安全危害。

圖二、Note 7電池安全失效剖析
圖二、Note 7電池安全失效剖析

安全電極設計
研發人員要如何設計阻斷和抑制熱失控的產生,可從安全保護技術設計和電池管理兩方面著手。接下來將針對電極表面防護方式逐一介紹。
1. 絕熱陶瓷塗層
一般當鋰電池熱失控發生時,往往會造成隔離膜熔融收縮現象,正/負極間產生大面積短路,因而,有些研究人員開始在正極或負極表面塗佈一些絕熱陶瓷安全層,如在石墨負極表面塗佈無機物(例如Al2O3)來增進電池安全性。Matsushita (MBI)公司就直接於隔離膜與極板間塗佈一層多孔性絕緣阻熱層(Heat-resistant Layer; HRL),如圖七所示;或是Samsung SDI公司於極片上直接塗佈多孔陶瓷膜,以避免正/負極直接接觸而造成內短路現象。這些絕緣阻熱層主要包含絕緣填充物以及黏合劑,其中絕緣填充物以Al、Mg、Ti、Zr和Si的氧化物為主,而黏合劑主要採用PVDF及Polyacrylonitrile (PAN)等聚合物。

4. 阻熱分子塗層
工研院材化所開發「自身終止高分歧寡聚物」(Self-Terminated Oligomers with hyper-Branched Architecture; STOBA)是一種具有高分歧結構、高規則性的「奈米級」化合物,分子量範圍在數千至數萬之間。2017年以STOBA®技術為基礎,再研發出一體成型、具多重機能的特殊組合結構體ChemSEI-Linker(化學SEI改質長續航力鋰電池),不僅能解決第一代STOBA®在某些電池廠製程的相容性問題,更具有延長電池壽命和高安全的功效,此項技術也因此獲得2017年全球百大科技研發獎(R&D 100 Awards)。鋰電池充放電時,會形成一層名為SEI(固體電解質界面膜)的薄膜,這層薄膜持續積累,將加速電池老化的速度。工研院材化所研發出化學SEI改質長續航力電動車鋰電池,將ChemSEI-Linker加入電池正極材料(圖十),就像幫鋰電池敷上一層「永保青春美貌」的保養品,不僅增加鋰電池壽命達10年,續航力更是一般鋰電池的兩倍,等同一次解決鋰電池壽命短與續航力不足的問題,既可減緩鋰電池的「老化」,更可讓充放電達1,400次,較未改質材料的電池壽命延長約70%,有助於電動車的普及...…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:陳振崇、呂明怡、陳立群、羅仁志、賴冠霖/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」379期,更多資料請見下方附檔。


分享