王星淳、呂學隆 / 工研院產科國際所
近年來，隨著電動車、消費型電子產品以及再生能源系統的普及，對高能量密度與低成本的鋰電池需求日益增加。過去，三元材料一直被視為高能量密度的代表，但其安全性和成本問題不斷受到關注。為了解決這些問題，各界提出許多正極材料的技術變化，如：提升鎳含量與降低鈷含量來達到提升能量密度同時降低成本的技術，或使用磷酸鋰鐵錳(LMFP)以提升工作電壓並兼具低成本的特性，另外還有針對集流體使用複合式銅/鋁箔技術，以達到減輕重量並提高能量密度，以及降低金屬使用量達到降低成本等。這些技術皆同時具提高能量密度與降低生產成本的特性，並已列入在指標廠商的開發項目中，且部分技術也已悄悄導入實際產品中進行應用。本文著眼於國際車廠對高鎳無鈷正極材料與LMFP的導入與規劃、LMFP於電動二輪車與電動車導入的現況，以及複合式銅/鋁箔的技術發展現況等三個議題進行介紹，同時觀察到這些技術在開發與量產方面已取得重要的進展。
【內文精選】
國際車廠對鋰電池材料技術的選擇
1. BMW
德國國際車廠BMW在電動車開發技術中，對於不同定位的電動車採取不同材料體系的應用策略，在針對不同市場需求以及為滿足不同客戶群的開發上，提出以下三種策略。
① 高能量、高性能的電動車動力電池開發：
BMW仍選擇使用鎳含量較高的三元體系正極材料(現今能量密度約在250~280 Wh/kg)。除此之外，也對其他材料的改良進行選擇，如在負極材料中增加矽材料的含量以提高電容量，以及不排斥朝向將電解液轉為固態形式的固態電池技術進行開發。
② 具高能量密度並降低成本10~20%的電動車動力電池開發：
在考慮降低成本且不犧牲太多能量密度的情況下，提高鎳含量與降低鈷含量技術受到重視。鈷金屬因開採人權議題與供應不穩定的影響，使其價格居高不下，因此降低鈷含量也成為各大廠商重要議題。
③ 成本降低30%的電動車動力電池開發：
已成為低價代名詞的正極材料LFP，雖然在電芯製造成本中可降低30%，但能量密度更低於三元系材料，也因此發展出許多LFP的改質技術，如：顆粒奈米化，表面碳材料的包覆技術、奈米碳管的導入技術、厚電極製程技術等，使現今LFP單位電芯能量密度可達190 Wh/kg。另外，還有LMFP材料技術的開發，使能量密度有望能達到200 Wh/kg以上(如圖一)。
圖一、BMW高性能與低成本電動車動力電池材料選擇與開發規劃
高電壓磷酸鋰鐵錳正極材料(LMFP)
LMFP正極材料相較於LFP具提升能量密度與熱穩定度的優勢。其於成本方面較NCM811低10~20%，能量密度較LFP提高10%，因此成為與目前發展LFP材料廠商以及使用LFP的客戶們相當期待的發展技術。然而，在部分研究中，儘管LMFP相較於LFP具較好的安全性、循環壽命以及能量密度等優勢，但仍然面臨著一些挑戰，包括：低導電率、電壓雙平台以及錳溶出等問題，限制了LMFP的應用與普及，說明如下：①低導電率：LMFP更趨近於絕緣體，使電子遷移受阻；②雙電壓平台：由於Mn與Fe氧化還原電位差距較大，因此在充放電過程中會出現2種不同的工作平台，分別位於3.3 V與3.9 V，使在BMS管理設計上相當棘手；③錳溶出：Mn離子容易產生Jahn-Teller Effect，使得Mn離子會在負極表面沉積，進而阻礙SEI膜的成形。
複合式銅/鋁箔技術—減少集流體的使用有助於提升能量密度與降低成本
複合式銅/鋁箔是一種新型材料，在塑膠薄膜PET、PP、PI等材質表面，透過磁控濺鍍等方式，使銅均勻鍍在基材上，其特點在於金屬的使用量可以減少約50~80%，這也意味著能降低單位電芯的整體重量，使重量能量密度得以提升。根據研究報告指出，當負極集流體銅箔使用複合型時，能量密度可以提升3.3%；當正極集流體鋁箔使用複合型時，能量密度可以提升2.6%；當兩邊集流體皆使用複合型時，能量密度可以提升6.1%。
此外，除了能量密度的提升與成本降低的優點外，複合式銅/鋁箔技術還兼具安全性的提升。根據理論基礎推測，當電池發生內部短路時，是由於複合集流體金屬層較薄，在穿刺所產生的毛刺尺寸較小，加上高分子材料層受熱熔化後會進行包覆而使其斷路，從而降低毛刺刺穿隔膜的機率，可達到抑制電池熱失控的效果(如圖十) ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十、複合式銅/鋁箔穿刺示意圖
★本文節錄自《工業材料雜誌》451期，更多資料請見下方附檔。