廖世傑 / 工研院材化所
分析高鎳含量且含鈷的NMC三元鋰電池面臨的挑戰，以及可能的替代對象—橄欖石結構的磷酸錳鐵鋰(LMFP)。其具備高工作電壓（約4 V）、長循環壽命、低成本與高安全性而備受關注。文中介紹新興鋰電池技術，包括LMFP技術，以及NMC/LMFP複合與雙層電極結構在鋰離子與鋰金屬電池中的應用，同時說明工研院近期建立鋰電池試驗產線，以及產線研製出不同性能之鋰電池，可以應用於儲能系統、各式電動車、無人機、機械人等領域。
【內文精選】
新興鋰電池技術
5. 富含三元/ 磷酸錳鐵鋰雙層複合正極電池(NMC-rich NMC/LMFP Composite Cell)
電池極板塗佈生產一般是以狹縫模頭塗佈(Slot Die Coating)來達成，藉由特殊雙層塗頭設計，可同時塗出兩層不同的材料，因此三元－磷酸錳鐵鋰複合正極可以設計製作成不同結構的雙層正極，進而研究不同結構複合電池的特性。圖十八是70NMC/30LMFP雙層複合正極剖面的電子顯微鏡圖，左圖是上層NMC之雙層結構(DL II)，中間為混摻結構，而右圖是上層LMFP之雙層結構(DL I)。將三種結構正極搭配相同石墨負極組成3.5 Ah軟包裝電池，分析不同結構複合電池的倍率特性，結果發現上層NMC之雙層DL II結構的電池具有最佳的放電及充電倍率特性（工研院美國專利11228028，台灣專利I679796，中國專利109980181），顯示藉由電極結構設計能進一步提升電池的性能表現。
圖十八、工研院材化所之70NMC/30LMFP雙層複合正極（雙層-NMC上層、混摻、雙層-LMFP上層）剖面的電子顯微鏡圖及3.5 Ah鋰離子電池倍率特性
8. 富含磷酸鋰鐵錳/三元雙層複合鋰金屬電池(LMFP-rich Composite Li-metal Cell)
在鋰金屬電池安全性方面，我們以嚴苛之針刺試驗來研究鋰金屬電池的安全性。圖廿七是將三種複合結構正極組成4 Ah等級鋰金屬電池（能量密度330 Wh/kg），藉由內埋溫度線鋼針(Thermocouple-embedded Nail)來準確量測電池短路點的溫度，並藉由慢速針刺試驗來分析不同結構電池的安全性。結果顯示三種結構之鋰金屬電池皆可通過1 mm/s慢速針刺試驗，電池不起火、不爆炸，其中以DL II電池在針刺時具有最小的電壓降及溫升，針刺後經過1,500秒觀察，僅有87 mV壓降及2.5˚C溫升。進一步將針刺速度提升至200 mm/s（如圖廿八），結果顯示DL I及混摻結構電池也都可通過針刺試驗，隨著針刺速度的增加，電池電壓降及溫升幅度也隨之提升，最高溫度來到76˚C左右，顯示複合結構鋰金屬電池優異的安全性。反之，相同容量等級之4 Ah NMC鋰金屬電池則不具針刺安全性，當以200 mm/s速度針刺時，電池瞬間起火爆炸（如圖廿九）。LMFP複合之鋰金屬電池可顯著提升電池安全性，而透過雙層結構設計可進一步提升電池的電性及安全性表現---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖廿九、工研院材化所之4 Ah NMC鋰金屬電池的快速針刺(200 mm/s)結果
★本文節錄自《工業材料雜誌》469期，更多資料請見下方附檔。