謝登存、葉高宏、郭勝瑋、蘇靜怡、徐俊傑、
張家銘、林裕涵、廖世傑 / 工研院材化所
全球電力能源轉型的浪潮從家用轎車，推向長途重卡、建築機械、海事航運乃至電動航空時，我們面對的是一場關於「極限性能」的全新競速，鋰電池已是針對不同場景衍生出多樣化的技術路徑。具橄欖石結構的磷酸錳鐵鋰(LMFP)因其較高工作電壓（約4V）、優異循環穩定性、本質安全特性與相對低成本優勢，近年成為新一代正極材料的重要發展方向。本文將介紹LMFP及LMFP/NMC複合技術於鋰離子電池與鋰金屬電池中的應用與發展成果，該技術路線具備同時實現高能量/功率密度、高安全性、低成本與長循環壽命之潛力，可望為電動車、無人機、機器人及大型儲能系統提供具競爭力且可量產化的電池解決方案。
【內文精選】
LMFP及LMFP/NMC
複合鋰電池技術目前鋰離子電池主流正極材料可分為兩大體系：層狀結構三元材料LiMO2（M = Ni、Co、Mn；NMC）與橄欖石結構LiFePO4 (LFP)，如圖一所示。NMC具有較高比容量與能量密度，是中高階電動車的主要選擇，但在高鎳化趨勢下，成本波動與熱穩定性問題逐漸受到關注。LFP則以結構穩定、安全性高、循環壽命長及成本低為優勢，已成為動力與儲能市場的重要主流，但其工作電壓與能量密度相對受限。為提升橄欖石體系的能量密度，磷酸鋰鐵錳LiMnxFe1-xPO4 (LMFP)逐漸成為發展重點。透過引入Mn氧化還原對，LMFP的平均放電電壓可提升至約4.0V，實際容量可達145 mAh/g以上，在維持安全與壽命優勢的同時，提高整體能量密度。因此，LMFP被視為兼顧安全性與能量密度的新一代正極材料方向。
圖一、三元(NMC)及橄欖石結構磷酸（錳）鐵鋰(LFP, LMFP)正極放電曲線
4. 富含三元/磷酸錳鐵鋰雙層複合電池(Dual-layered NMC-rich/LMFP Composite Cell)
為進一步優化三元材料(NMC)與磷酸錳鐵鋰(LMFP)之複合正極性能，工研院透過雙層塗頭(Dual-layer Slot Die)設計，可於單次塗佈製程中，同步形成兩層不同材料組成的正極結構。此技術使複合正極不僅能以混摻方式設計，更可透過空間分佈調控，建立梯度或功能分層結構，從而系統性探討不同結構對電池性能之影響。圖九為70% NMC/30% LMFP雙層複合正極之截面電子顯微鏡影像。圖九(a)為上層配置NMC的雙層結構(DL II)，圖九(b)為均勻混摻結構，圖九(c)則為上層配置LMFP的雙層結構(DL I)。不同結構在材料分佈、孔隙率與鋰離子傳輸路徑上呈現明顯差異。
圖九、工研院材化所之70NMC/30LMFP雙層複合正極（(a)雙層-NMC上層、 (b)混摻、 (c)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
★本文節錄自《工業材料雜誌》472期，更多資料請見下方附檔。