兼顧能量密度、安全、壽命及成本之動力鋰電池技術：材料世界網

廖世傑、張家銘 / 工研院材化所

隨著電動車對鋰離子電池能量密度需求的增加，富含鎳及鈷的NMC鋰電池成為趨勢。然而，富含鎳鈷NMC鋰電池的安全性和成本一直是其在電動車產業應用發展的問題。相較之下，橄欖石結構的磷酸錳鐵鋰(LMFP)因其高電壓(~4 V)、長壽命、低成本、高安全性而備受關注。在本文中，我們將介紹最新NMC-LMFP複合及雙層電極結構電池技術，此技術可提供電動車及儲能系統兼顧高能量密度、安全性、低成本和長壽命的最佳電池解決方案。

【內文精選】

引言

鋰離子電池(Li-ion Battery)自1990年問世以來，性能不斷進步，在過去30年廣泛使用於電腦、通訊及消費電子等產品，對人類社會產生莫大影響。近年來為減低人類對石化及煤碳燃料的依賴、降低汙染排放、減緩全球暖化問題，各種電動車輛、太陽能與風力再生能源成為世界各先進國家發展的重點。由於鋰離子電池正負極材料種類豐富，使得鋰電池能在不同使用情境下展現出優異的特性。如今，先進小型圓柱形「21700」電池的能量密度為255Wh/kg和720 Wh/L，可支持行駛300英里的電動車。而電池價格也從2006年的1,000美元/千瓦時大幅下降到2021年的120~140美元/千瓦時。鋰電池已是電池電動汽車(BEV)和儲能系統(ESS)的首選技術。儘管如此，研究人員仍從三方面：①提高能量密度及壽命，②降低成本，以及③提高充電速率來改進鋰電池；以上目標必須在不犧牲電池可製造性以及最重要的安全性的情況下實現。目前NMC三元材料及電池的電容量高，但其循環壽命及安全性不佳，近來三元電池安全事故頻頻發生，各家車廠也對安全方面提出了更高的要求。

磷酸錳鐵鋰(LMFP)電池

具有橄欖石結構的磷酸錳鐵鋰(LithiumManganese Iron Phosphate; LMFP)因其高電壓(~4 V)、長循環壽命、低成本和高安全性而備受關注。此外，由於地殼中鐵及錳的蘊藏量極為豐富，價格低廉，低成本也因此是磷錳鐵鋰的另外一個特色。LMFP在0.1C時具有150 mAh/g的高放電容量和出色的倍率性能(即1C為145 mAh/g、5C為131 mAh/g和10C為118 mAh/g)。4 V的第一個放電平台與LMFP中 Mn³⁺的還原有關，而3.5 V的第二個放電平台與Fe³⁺的還原有關。LMFP在低溫(-20˚C)下0.5C的放電容量約為100 mAh/g，達到25˚C時容量的71%左右。

富含LMFP的NMC-LMFP複合電池

工研院開發了富含LMFP (>50 wt.%)的NMC-LMFP複合電池，圖七是80LMFP+20NMC混摻電池的充放電曲線，3.5 Ah電池能量密度為200 Wh/kg。該電池在室溫下進行1,893次0.5C充電–1C放電循環測試後仍保持70%的容量，在45˚C下進行781次循環測試後仍保持83%的容量。該電池通過了釘穿測試，電池最高溫度為80˚C。隨著我們進一步混摻NMC比例提高到40%，3.5 Ah 60LMFP+40NMC混摻電池的能量密度增加到215 Wh/kg。電池在室溫下進行1,323次0.5C充電–1C放電循環測試後，電池仍保持87%的容量。該電池亦通過了釘刺安全測試，電池最高溫度為 90 ˚C。

圖七、80LMFP+20NMC混摻電池的充放電曲線

富含NMC的NMC-LMFP複合電池

工研院也開發了富含NMC (>50 wt.%)的NMC-LMFP混摻和雙層電極結構電池。圖十一顯示了能量密度為200 Wh/kg的80NMC+20 LMFP混摻複合電池通過了SAE釘刺安全測試，而對應NMC電池則沒有通過。具有重要意義的是，我們發現與對應NMC811電池相比，80NMC811+20LMFP混摻電池的循環壽命有所提高，80NMC+20LMFP混摻電池更好的循環性可以通過以下事實來解釋：混摻電池中的NMC811在高電壓(~4.1 V)下經歷的相變（即H2 ⇒ H3）比NMC電池中的相變少---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。