張金泉 / 喬信電子股份有限公司
鋰鐵電池在儲能系統的應用已成為市場趨勢，儲能系統應用中防火安全和電池壽命是重要要求，本文從電池芯和電池單元模組介紹防延燒安全設計，儲能系統的熱失控防護應該在電池單元模組以下進行設計控制。另外，也介紹工研院CHEM SEI長壽命和高安全類固態電解質技術在鋰鐵儲能電池的應用。儲能系統的整體運行安全與效能，最終取決於儲能管理系統和能源管理系統的控制策略。
【內文精選】
前言
鋰電池(Lithium-ion Battery)市場需求的高度成長已是全球趨勢。鋰電池的應用從二十年前的3C筆電等電子產品，在過去十年擴展到電動車和電動巴士等交通工具，這兩年隨著全球碳中和及綠能發展，再生能源占比攀升，鋰電池應用在儲能系統成為這兩年最熱門議題，電池模組或電池系統的容量也隨著各應用需求不斷提高。國內理財市場上今(2022)年也推出電池及儲能相關的基金，足見鋰電池和儲能市場確實是「夯到不行」；鋰電池相關材料及產業也因為擴產跟不上需求，造成價格的上揚。儲能是這兩年鋰電池行業最受關注的領域，儲能系統的安全也成為公眾及市場重視的議題。
儲能系統的熱失控與防延燒
電池芯必須先符合UL 1642和IEC 62619等安全要求，包括：結構上的輾壓和衝擊測試、過充過放的電氣測試及內部短路測試，電池芯先符合一定程度的安全要求，才能夠用來進行電池模組設計。預防火災危害(Prevention)是從根本的電池芯避免熱失控(Thermal Runaway)發生，或是降低熱失控發生的危害，這是儲能系統安全設計中最重要的一環，高安全的電池芯能從根本避免電池失效導致熱失控的發生。
鋰電池熱失控發生的原因有許多，如圖四所示，NREL在2013年這張廣泛出現在許多鋰電池安全報導中的電動車電池安全研究簡報中，詳細列舉了包括：電壓異常的過充和過放、超過設計值的充放電電流、外部外力導致的電池結構輾壓或損壞、外部短路和外部異常熱源等，都可能觸發電池發生熱失控反應。以上相關項目當前已經都列在UL 1642、UL 1973、IEC 62133和IEC 62619等鋰電池芯的安全測試規範中，通過安全規範的鋰電池芯即具備一定程度的安全性。
圖四、鋰電池熱失控發生原因
CHEM SEI改質鋰鐵電池
化學SEI (CHEM SEI)鋰電池改質技術，可延長電動車鋰電池循環壽命，此技術是工研院2017年獲得全球百大科技研發獎(R&D 100 Awards)的研發成果。喬信電子(以下稱「本公司」)與工研院技轉開發CHEN SEI改質鋰鐵電池。CHEM SEI改質技術(圖六)是在混漿過程中將改質劑依序添加入電池漿料內，並將改質材料均勻地被覆在正極材料表面，在化成程序中控制化成的充放電條件及溫度來實現CHEM SEI緻密保護層的生成。改質後的鋰鐵電池在正極材料表面形成一奈米級修飾被覆層，該奈米級被覆層結構具有穩定及優異的化學接著力，可保護電極在充放電過程不與電解液發生不可逆反應，並具有抑制正極過渡金屬溶出的保護效果，導入的高分子聚合物具有高效率離子導體(HEIC)特性，可大幅降低固態界面傳遞阻抗，提升材料面離子躍遷速率，大幅提升鋰鐵電池的充放電性能及高溫循環壽命。
圖六、工研院CHEM SEI改質技術
高安全類固態電解質
鋰電池熱失控反應可燃的電解液也是鋰電池安全提升的一項重要議題，目前鋰鐵電池仍採用可燃的有機溶劑作為電解液，儘管採用高安全的磷酸鋰鐵作為正極材料，電池內的電解液在達到一定條件仍有燃燒的風險。本公司將工研院2020年獲得全球百大科技研發獎(R&D 100 Awards)的NAEPE類固態電解液技術導入鋰鐵電池中，將電池的電解液由可燃改善至難燃等級，再進一步提高鋰鐵電池的安全性---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》423期，更多資料請見下方附檔。