陳立群、羅仁志、張雅淇、羅正錦、葉定儒 / 工研院材化所
本研究以正極高鎳NMC811材料為主，摻混20 wt% LMFP，具有三元材料高能量特性，兼具結構穩定、價格相對便宜的鋰錳鐵材料(LMFP)，提供高負載運具所需的長壽命、高能量，結合矽碳負極(SiC)建構兼具能量密度(≥280 Wh/kg)，逐步放大電池驗證至60 Ah，重量能量密度甚至達300 Wh/kg。另外本研究也導入樹脂半固態電解質研究，材料具有阻燃性、耐高電壓，防止正極錳離子溶出，半固態電池製程與既有鋰電池相同，採原位固化聚合反應(In-situ Polymerization)，導入NMC811/LMFP摻混電池，有可快充高效能電解質配方，提升倍率性能（3C放電 ≥ 90%）、循環壽命（~3,000圈），滿足HDVs (Heavy Duty Vehicles)系統的應用。
【內文精選】
NMC/LMFP+SiC樹脂半固態鋰電池
工研院有完整的電池驗證平台，可系統性地支援樹脂型NMC/LMFP正極系統之電池開發，涵蓋從材料端的小型電池驗證，到製程放大後355型大尺寸電池的組裝與性能評估。透過此平台，可有效降低材料導入風險，並縮短從實驗室研究至量產評估之開發週期。整體驗證流程如圖一所示，依開發時程可劃分為三個主要階段，第一階段材料篩選與基礎驗證、第二階段關鍵製程逐步放大、第三階段試量產及產品定型階段。
圖一、工研院NMC/LMFP鋰電池開發流程
樹脂半固態電解質材料特性
半固態電解電質透過添加3wt%~5wt%樹脂添加劑，在電池內進行In-situ聚合反應，電池注液後浸潤隔夜，進行電池一活化，再加熱55˚C、15hr，即可固化電解液，固化後電解質具有阻燃性，自熄時間(Selfextinguishing Time; SET) <5sec/g（如圖八），大幅改善電解液易燃特性，離子導電度略微降低6%，不影響電池倍率放電特性，製程變異小、易於產業化。
圖八、樹脂半固態電解質導電度及阻燃性
固化後電解液具有分子間作用力，改善電解液高電壓穩定性，如圖九所示，在線性伏安掃描(1mV/sec)5V具有較低分解電流；再者定電壓浮充測試，常見4.3V定電壓10hr具有較穩定化學平台，有助於改善電池阻抗增加率，進而具有較佳循環壽命。LMFP/Gr. 液態電池經45˚C、300圈循環後，負極表面 EDS Mapping分析顯示O、Mn含量較樹脂半固態電池高（如圖十），表示液態電解液在高溫下，容易於負極還原形成有機ROCO2Li、CH3OLi、(CH2OCO2Li)2與無機Li2CO3，持續增厚SEI；以及液態電解液容易攻擊LMFP，使錳離子游離至負極還原，然而固化後電解液大幅降低Mn2+溶出現象，樹脂化電解質，減緩與正極/負極界面反應---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》472期，更多資料請見下方附檔。