鋰離子電池技術趨勢發展方向

 

刊登日期:2021/4/21
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陳雨筑、呂學隆/工研院產科國際所
一、前言
鋰電池技術的發展日新月異,對於電池材料技術的要求也隨著應用市場的需求而隨之改變。鋰電池在近幾年除終端消費市場應用外,也因疫情影響,遠距工作相關產品,或居家遊戲機等加速提升鋰電池的使用量。全球則在能源政策推動下,剌激、提升電動車擁有率,突顯出鋰電池在安全性等相關考量,引領業者對於鋰電池技術,從研發之材料結構等面向強化技術研發。加之鈷的稀有性、高成本,促使研發朝向取代鈷、低鈷或是無鈷等新電池技術開發,同時提供全面性的電池整合技術方案,解決及提升鋰電池整體安全性、使用壽命、高能量密度以及充放電速度等技術能量與相關問題。
 
二、鋰電池材料需求與技術發展變化
1. 高鎳化正極材料的技術提升
正極材料的技術發展上,目前將以高能量密度NCM的研究開發為主,且以「鎳」為研發標的來取代鈷的使用比例。鎳在高溫下具有穩定性及所含比例愈高則能量密度愈大的特性,因此形成高鎳化之高克電容量材料的新技術主流趨勢,尤以動力車用電池的技術應用為主。中國大陸因政策與市場推動下,已有比亞迪、天津力神等業者投入NCM 811動力鋰電池產品開發,量產出超越現有三元材料NCM523 克電容量166mAh/g的高能量密度鋰電池,有助提升續航能力。而NCM 811的意思是:在三元鋰電池正極材料中,三種主要材料:鎳(Ni)、鈷(Co)、錳(Mn)的比例,分別是8:1:1,可以看出鎳的比例遠高於鈷,代表著具有更高的電池能量密度,而若與三元材料NCM523同重量的電池相比,NCM 811可望提供更多電量、更高的續航力,且對於希望降低電池重量及縮小電池空間等需求也得以實現。
 
圖一、正極材料NCA與NCM的發展趨勢
圖一、正極材料NCA與NCM的發展趨勢
 
另相較於二次顆粒製程方法,單晶三元材料(NCM)在高電壓狀態下具有穩定電壓使用與長循環壽命的優點,因此提高單晶三元材料的熱穩定性與循環壽命也是研發重點之一。同時為了擁有更好的倍率性能,調整三元材料之前驅體的堆疊結構,將板狀一次顆粒有序地沿著特定方向堆疊形成剖面呈現發射狀的二次顆粒,將得以提高三元材料(NCM)倍率性能。
 
儘管高鎳化的電池技術開發量產設備與技術皆與以往大不相同,仍吸引全球電池產業投入,除中國大陸電池業者寧德時代(CATL)、比克、天津力神、比亞迪外,日本有松下(Panasonic),而韓國電池企業則有LG化學、三星SDI、SKI等紛紛投入研發、量產,且大多以圓柱型開發為主。據韓國媒體ETNews報導,近期韓國業者三星SDI更提出投入90%以上的高鎳比例之電池技術開發,可見此波高镍化的正極電池技術研發競賽將會持續發展下去---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方圖檔。
 
             圖二、鋰電池三元材料前驅體結構成形概念變化
圖二、鋰電池三元材料前驅體結構成形概念變化

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