高能量/高安全固態鋰電池：材料世界網

羅仁志、陳振崇、葉定儒／工研院材料與化工研究所

自1990年代日本Sony商業化量產鋰二次電池後，由於鋰離子電池具有高電壓、高能量密度和長循環壽命等優勢，廣泛應用在智慧行動裝置、電動運輸載具、再生能源儲能系統等領域。為了讓電子產品可整合更多應用功能，以及增加電動汽機車可行駛的里程，電池能量密度與循環壽命規格的提升成為各方追求的目標。然而，傳統電解液易洩漏、易燃燒與易高電壓氧化性質將阻礙能量密度的推升，同時伴隨電池使用安全的疑慮。為解決上述問題，各大廠與研究單位皆積極投入固態電池的開發，透過將傳統鋰電池使用之有機電解液，更換成難燃固態電解質材料，以強化終端產品應用的安全性。

【內文精選】

固態電解質材料分類

電解質存在於電芯內部，主要作為傳遞正負極之間電荷的介質，依電解質的型態與組成可分為液態電解質、高分子電解質、氧化物固態電解質、硫化物玻璃陶瓷固態電解質。電解質離子導電度與操作溫度特性如圖二所示。由於價格低廉、製程容易、離子導電度高的關係，目前商用鋰電池使用仍以液態電解質為主。然而傳統電解液具有易揮發、低閃點的特點，導致電解液的易燃性，同時也面臨漏液、高溫氣脹與高電壓耐受度差的問題，因此逐漸朝向高分子電解質與無機固態電解質發展與應用。

電極/電解質界面問題與改善

C. Ma等人探討固態電解質與電極之間的擴散和界面反應，歸納出當固態電池進行充放電測試時，透過熱力學方式可模擬電極與固態電解質的固體內與接觸界面傳輸行為，除了定義鋰離子傳遞驅動力係來自操作電壓或化學電動勢，並佐以固體擴散行為來進行闡述，意即固態電解質本身的電化學視窗屬恆電位，屬於沒有氧化還原分解反應作用，故僅接觸界面會衍生相關質傳問題；另電池特性其中也會受固態電解質與電極之組成造成離子傳輸能力變化，如圖四所示。

圖四、固態電解質及正負電極間之化學電動勢分析（其中V為操作電壓；μ為化學電動勢）

固態電池開發現況

根據固態電解質的特性，日本豐田汽車與東工大合作開發了三款全固態電池，包括使用LGPS的標準型、使用LSiPSCl搭配LTO的大電流型、使用LGPS/LPS搭配石墨負極的高電壓型。室溫下功率密度約為現有鋰離子電池的3倍；高溫100˚C下功率密度約為現有鋰離子電池的10倍。其中大電流型固態電池具備高容量、高功率與高循環壽命的放電特性，經過1,000次循環後，庫侖效率仍維持在100%左右。

有別於高分子固態電解質與無機固態電解質，工研院材料與化工研究所開發型態與特性介於膠體/固態之間的樹脂固態電解質(Networked Amide Epoxy Polymer Electrolyte; NAEPE)，透過具反應性之醯胺環氧樹脂寡聚物添加劑(AEO)與起始劑在室溫下進行陰離子聚合反應，由醯胺官能基(Amide Group)所形成的高分子與電解液相容性高，同時可透過Amide的孤電子(Lone Pair)與電解液形成凡得瓦爾力(Van der Waals Force)，將電解液分子包覆固化（如圖九）。

NAEPE搭配材化所自主研發之NMC811高容量正極與CPD-SiO_x高效率負極，經5 Ah商用軟包電池驗證，重量能量密度趨近300 Wh/kg (>720 Wh/L)、3C放電維持率87%、室溫循環壽命400圈80%/700圈70%，同時通過IEC 62133-2過充電測試以及SAE-J2464針刺內短路測試，如圖十一。整體而言，常溫固化的NAEPE電解質可以提升閃火點，避免傳統電解液易燃、易漏液的問題，並抑制電解質在高電壓下的反應…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。