高容量負極材料技術

 

刊登日期:2021/3/5
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吳偉新、李俊龍、方家振/工研院材化工所

理想的鋰離子電池負極應滿足以下要求:①具有高可逆的重量和體積容量;②對正極材料有最低電位;③高速率充電能力;④循環壽命長;⑤低成本;⑥極好的抗虐待能力;⑦環境兼容性。純鋰金屬顯然是在鋰電池被發明以來最好的負極材料,因為它沒有任何無活性重量(僅考慮特定容量)。但在充電的過程中容易形成樹枝狀鋰枝晶,導致電池內部發生短路,引發嚴重安全疑慮。碳與非碳活物在近年來都已朝高性能進行了深入研究,並且本身的特性也重大影響了電池能量密度,特別是在電動車市場。基於電化學儲能原理,本篇將討論創新的負極材料,其可分為三大類,包含常見的插層、合金化與轉換,並探討近年來被熱烈討論的無負極(Anode-free)電池。

【內文精選】
前 言
鋰離子二次電池藉由鋰離子分別在正極與負極間遷移而達到儲電及放電的目的,負極同樣扮演著儲存及釋放鋰離子的角色。理想的負極材料具備低的氧化還原電位、高的電容量(mAh/g or mAh/mL)、穩定的電位平台及高的安全性。低氧化還原電位的負極材料搭配高氧化還原電位的正極材料,在相同電容量(Ah)下可得到較高的能量(Wh);高的電容量可以使用較少的量,便可以滿足正負極電容量比率需求,間接提升能量密度(Wh/kg)。

根據負極材料的反應機制,可以分為嵌入型(Intercalation)、轉換型(Conversion)以及合金型(Alloy)三類。圖一為常見負極材料的電容量與電位圖,表一為各類型材料的優點以及須克服的議題列表;可以發現負極材料的電容量普遍高於正極(130~250 mAh/g),因此長久以來電池的電極材料開發多以正極材料為主。雖然提升負極材料的比電容量對電池的儲電量(Wh)沒有直接的關係,然而卻可以降低使用的重量,間接提升電池的能量密度。後文將針對此三類型負極材料進行介紹。

 
圖一、鋰電池負極材料之比電容量與電位,(a)重量電容量;(b)體積電容量
圖一、鋰電池負極材料之比電容量與電位,(a)重量電容量;(b)體積電容量
 
無負極鋰金屬電池(Anode-free Lithium Metal Battery; AFLMB)
近年來,為了實現鋰金屬負極的實用化,同時考慮到有限的過量鋰金屬箔作為負極的高成本,以及在鋰金屬電池(LMB)中嚴重的大量甚至過量鋰的安全隱患,無負極鋰金屬電池(AFLMB)被認為是開創低成本且同時保持高能量密度的下世代鋰離子二次電池的新希望。
1. 研發現況
文獻資料證明,在過去的二十年中所涉及的無負極鋰金屬電池,吸引了大量且重要深入的研究。圖七說明傳統鋰離子電池與AFLMB結構組成的差異,表二則為LMB與AFLMB之間的性能比較。彙整2000~2020年間AFLMB相關的研究成果,總結歸納出該領域中主要的議題與所遇到的技術障礙於圖八中,並標示出各議題的研究比重,同時解析出各項技術分門別類地陳列於表三。
 
高能量電池負極技術研發現況與展望
目前商用鋰離子電池的能量密度已出現技術瓶頸,以現有的商用材料所達到的最高能量密度規格少於300 Wh/kg。目前實用化的負極材料比電容量均高於正極材料,唯有開發更高比電容量的正極材料,輔以金屬合金類的負極材料以減少重量,方有機會創造突破現有規格的1.5倍以上的能量密度,此外,商品化最大挑戰仍是電池壽命與安全性。表四陳列出世界上固態電池技術領先的公司團隊與工研院的研究現況及規劃。表中顯示,工研院在未來下世代電池的技術能量,於規格與性能上並不亞於世界尖端新創研究團隊所開發的高能量鋰金屬電池,無負極鋰金屬技術是被寄予厚望的重要解方…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
表四、工研院研發技術與國際先進研發指標之電池規格
表四、工研院研發技術與國際先進研發指標之電池規格
 
★本文節錄自《工業材料雜誌411期,更多資料請見下方附檔。

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