高能量密度車用鋰金屬電池開發現況：材料世界網

吳偉新、林裕涵 / 工研院材化所

環保意識抬頭與電動車浪潮崛起，過往的鋰離子二次電池已面臨下一個世代的能源轉型壓力。人們對追求高能量、快速充電與長壽命的理想電池變得更加渴望與需要，其中的關鍵材料—鋰金屬負極，被視為因當年鋰一次電池的不足，而成功商業化鋰離子電池後，能真正實現鋰金屬二次電池化的機會，也將會是鋰電池的下一波革命元年。然而，鋰金屬長年無法解決的枝晶問題所衍生出的壽命衰退與安全性等困擾，導致商品化困難，市場接受度也備受挑戰。本文從鋰金屬電池為出發的角度來全面性掌握當今最新的技術，包含液相與固相面的機制原理，並介紹具全球指標性的能源新創公司，逐一拆解其技術面與所面臨的挑戰。

【內文精選】

前言

自1991年索尼(Sony)公司推出第一款商用鋰離子二次電池後，全球消費型電子商品產業進行了一番徹頭徹尾的改變，人們意識到可攜式能源占有足以影響人類在不斷追逐科技腳步的重要地位。至今，我們的能源儲存方式依舊來自於電化學儲能，而已知地球上最輕的元素氫(H)與鋰(Li)都各自展開不同的電池產業面貌。然而，要設計出看似完美的電化學系統往往必須伴隨相當等同代價的負面反應，便產生出了看似日新月異的電池技術，而真正能商用的卻是鳳毛麟角。但這並不拖慢我們在開發更輕、更快、更長久的目標與速度，反而萌生出百花齊放的各種能源技術與產品。近來環保意識抬頭以及電動車元年的興起，電池勢必成為足以影響一個國家在產業推動的關鍵元件之一，尤其在美、中、日經濟大國的科技角逐競賽下，更有可能讓全球的電子產業乃至汽車產業徹底重新洗牌。為此，我們列舉並整理出以下世代電池為主的新創公司，其最新公開的電池效能，以及從專業角度深入分析其運用的技術內容及各自所面臨到的技術瓶頸，並在下章節呈現台灣在經濟部與工研院的推動下，要如何引導廠商跟上這波浪潮，而我們的技術優勢又會在哪裡。

技術瓶頸與突破

如同芯片的材料革命一樣，鋰電池也面臨著該如何憑藉著材料來提升傳統的限制；然而，不同於芯片製造，電池的材料如同雙面刃，使用上會同時反映出材料所帶來的利與弊。換句話說，人們很難去找到同時兼具各種優勢的電池組成，所能做的往往需要經過妥協與不斷地修正，就好比增加能量密度的同時又要增加安全性、使用壽命，又能縮短充電時間，加上材料取得的稀有性與成本面的考量，這也大幅度限制了各種電池技術發展，在商用的路上幾乎是屍橫遍野。圖一中，我們彙整並分類出至今科學及工程上所做的各種嘗試，經過以下的分析，希望能使讀者們更加明白下世代鋰金屬電池所遭遇到的挑戰及原因。

圖一、負極使用鋰金屬沉積機制的電池種類分析

工研院高能量鋰金屬電池技術現況與展望

目前工研院在經濟部科技專案計畫支持下進行高能量鋰金屬電池開發，成功製造具高能量密度(350 Wh/kg)之高能量鋰金屬電池，包括開發各項介面改質技術，如：改善離子質傳的均流層設計、優化機械強度的有機/無機複合電解質層，以及抵禦鋰枝晶攻擊的安全失效層等設計技術，讓高能量鋰金屬電池在追求能量密度提升時，亦能降低電池因鋰枝晶攻擊熱爆走之危害風險，同時也保有良好的性能表現。

對於電池輸出功率方面，工研院嘗試將350 Wh/kg鋰金屬電池進行大電流充放電， 350 Wh/kg鋰金屬電池分別在2C電流的連續充電與放電過程中，可放出87.6%的2C充電電容量以及88.3%的2C放電電容量，經上述結果可得知鋰金屬電池在短期的充放電測試中，均流層的設計可增加電池功率效能。最後在電池安全性方面，350 Wh/kg鋰金屬電池可通過嚴苛的內短路針刺試驗(圖七)，電池經不鏽鋼針穿刺後電池電壓緩慢下降，避免能量瞬間釋放，達到鋰金屬電池不冒煙、不起火的安全效果。另一方面，工研院也進行電池內部串聯的開發應用---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。