薄型可撓式鋰電池用封裝材料技術發展

 

刊登日期:2007/12/20
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薄型可撓式鋰電池之製作有別於一般3C使用的鋰離子電池,不僅在電極、電解質上的設計必須更加注意可撓曲性、能量密度及兼具安全性之外,我們往往忽略了電池外封裝材的重要。雖然市面上陸續出現具有薄型可撓式電池的商業產品,但在缺乏開發適合使用於可撓式電池的經驗下,大部分廠商及實驗室皆使用一般鋁箔包裝作為外封裝層。不論在厚度、重量、可撓曲性之不足反而成為此一產品的主要缺點,因此開發超薄型鋁箔包裝及高阻水阻氣型高分子封裝成為不可或缺的研發重點。

國內外薄型可撓式電池開發現況
針對薄型可撓式鋰電池的前瞻及具有潛力性,不少國外廠商投入鉅資積極研發,因此包括Enfucell及Powerpaper公司皆針對美容醫療型產品推出相對應的薄型電池作為動力來源,如圖一所示,Enfucell公司發展以1.5V的鹼性電池及3V的鋰一次電池為主,並搭配應為鋁箔作為外殼的封裝材。此電池性能與材化所所開發的第一代鋁箔可撓式電池電池性能及電池厚度相當,深具可立即打入市場的潛力,唯目前此種電池創新突破性較不足,不容易在專利上進行佈局。而圖二顯示Powerpaper公司經由美國方面挹注大量資金進行多元化研發結果之後,公司專門朝向美容醫療系統發展,因此此公司所發展的電池也朝針對特定產品方向的一次電池消耗產品進行生產,相關的國外及材化所薄型電池比較如表二所示,其顯示出各家廠商皆針對不同的產品對象及應用進行生產及開發。因此由圖二顯示,材化所所開發的薄型電池將朝向高能量密度高功率及高安全性兩種方向發展。

圖一、Enfucell公司所生產的薄型柔性紙電池
圖一、Enfucell公司所生產的薄型柔性紙電池

圖二、Powerpaper公司所生產的薄型柔性紙電池
圖二、Powerpaper公司所生產的薄型柔性紙電池

薄型可撓式鋰電池用封裝材料性質
鋁箔包裝的特點在於材質輕、軟,另外外包覆塑膠材料可以增加材料韌性,經由熱封裝之後,能夠形成各種形狀以配合電池設計,並不受體積與外在的限制又因為與目前電池製程的相容性,因此鋁箔袋的性質在薄型電池開發路程中為第一首選,所以也可以用於可撓曲式電池的使用。圖三為目前商用鋰電池鋁箔封裝材組成,除了以40µm為主體的鋁箔之外,另加上提升撓曲性及機械性質的高分子層,有鑑於鋰電池有機電解液的鹽類易與水氣反應生成氟化氫(HF),並腐蝕鋁基材,因此更添加一層屬於最高機密的保護層,而總體厚度將達113µm。但此種商用型鋁箔封裝材對於薄型電池的需求來說有厚度過高及撓曲度過差的缺點。因此材化所積極與國外及國內廠商開發超薄型鋁箔封裝材,其重點在於如何降低鋁箔厚度但不使封裝材料整體阻水及阻氣性質下降太多,另外也研發如何突破以壓延鋁箔作為封裝材主體的限制。根據材化所近來的研究發現,鋁箔封裝材除可降低整體厚度至70µm之外,對於電池撓曲性及重量能量密度方面也提升不少;另外基於反向操作考量,也積極開發以電鍍方式形成薄型電池使用的鋁箔封裝材,此種基材厚度為30~40µm,並具有更高的潛力使用於軟性電池產品。

圖三、目前商用鋰電池鋁箔封裝材組成
圖三、目前商用鋰電池鋁箔封裝材組成

薄型可撓式鋰電池鋁箔封裝材料測試項目
無論是使用有機電解液或是高分子電解質作為傳輸鋰離子的介質,鋰電池都必須使用鋰鹽作為導體。如表一所示,所必須進行測試的項目及條件為薄型電池封裝材料開發必須通過的範疇,因為鋰鹽所帶來的後續效應將可能危及封裝材料的穩定性及電池性能。因此我們必須針對電解液的耐受性以外,還有阻水性、阻氣性、耐熱、耐寒以及可成形度的要求一一介紹。
(1) 電解液耐受性:電解液是電池中不可或缺的一部份,鋁箔袋在經過熱封裝之後,不論內容是PP化者是PE,都要能夠抵抗電解液的腐蝕性,不然會造成電池漏液的現象。在上圖一的標準是要求在85℃的環境之下進行加速實驗,需保存28天封口不被破壞,或是在60℃的環境下,放置50天不破壞,才算合格,利用加速實驗的公式推算,約可模擬兩年以上的時間。
(2) 阻水性:鋰電池包裝材所要求的另一個項目是阻水性,因為鋰電池中的鋰與電解液中的LiPF6對水都會進行反應,所以阻水性的要求是必要的,一般的測試方法是將鋁箔袋封裝電解液以後放置於60℃及90%RH之下測試,放置七日後將內部的電解液取出利用卡式水分分析儀進行測量,吸水量不得超過50ppm,模擬一般使用下100日的吸水量。
(3) 阻氣性:鋁箔袋封裝之後,阻氣性也是考慮的重點之一,因為如果空氣可以進入,表示裡面的電解液蒸汽也會循同樣的管道出來,因此需要進行測試,測試方法是將液體用鋁箔袋封起來之後,放置在85度的環境之下,每日不得有超過1.0mg的重量變化,婆你一般使用下約60日的變化。
(4) 耐熱性:鋁箔袋的封裝耐熱性,一般是使用封口處強度的判別方式進行,一般而言,PE的材質在溫度100℃時,封口處仍然要有15N/15mm的強度,PP度則是在溫度140℃時也要有15N/15mm的強度,藉以確保鋁箔袋在高溫時仍然能夠維持一定的封口強度,以保障安全性。
(5) 耐寒性:一般電池使用的範圍為-20℃~60℃,因此低溫之下的安全性也是非常的重要,一般的測試方是就是將鋁箔袋降溫到0℃(PP材質)或-40℃(PE材質)之後,由50㎝的高度落下,檢視不得有孔洞的產生,藉以確認鋁箔袋在低溫的時候不會脆化,以確保安全性。
(6) 可成形度(Cup forming)方面因為可撓式電池幾乎都是薄形電池,因此沒有成形的問題,所以不在這裡進行討論。

表一、薄型可撓式鋰電池鋁箔封裝材料測試項目
表一、薄型可撓式鋰電池鋁箔封裝材料測試項目

資料來源:工業材料雜誌第252期

工研院材化所積極發展薄型可撓式電池
對於可撓曲性、電池形狀回復性而言,鋁箔包封裝材仍有其限制。因此,針對此項當務之急的問題,材化所也積極進行相關課題研究。一般解決此項問題的方式是將封裝材料替換為高分子系統,例如聚醯亞胺(Polyimide)、聚對苯二甲酸乙二酯(Poly(ethylene terephthalate))、聚乙烯(Polyethylene)、環氧樹脂(Epoxy)及聚丙烯(Polypropylene)等等,但上述所提到的幾種高分子雖然容易取得及成本較低,但阻水及阻氣性質不佳,造成可能使外界水氣進入或電解液容易揮發的情況產生,藉使電池性能不佳或死亡。因此類似OLED之嚴苛阻水性質的高分子系統因應而生,主要的訴求重點仍在於高分子的阻水阻氣特性。

但上述所提到以高阻水阻氣性高分子作為封裝材料之門檻極高,因此材化所目前朝向排除鋁箔外包裝,直接以高分子與兩極集電材整合為一體成型電池極板,並測量其阻水及阻氣性質皆小於0.05g/m2*day,因此利用所合成出的高阻水阻氣性黏著劑組裝成為薄型可撓式電池,如圖四所示為材化所開發的第三代薄型可撓式鋰電池即以上述的製程而成。此種電池最大優點在於排除鋁箔外包裝可有效降低電池重量及降低整體厚度之外,也可大幅提升電池可撓曲性。另外值得一提的是此種電池因為所使用的外包裝可為軟性印刷電路板的高分子系統,因此整合軟性印刷電路板及鋰電池系統為一體成型具有非常大的競爭力,而不再是電子系統附屬品。目前材化所已將此電池原型產品及相關專利申請完成,並積極量化。

圖四、工研院材化所開發的第三代薄型可撓式鋰電池
圖四、工研院材化所開發的第三代薄型可撓式鋰電池

聯絡人:李育鑫03-5917795、王復民03-5915303

★詳全文:https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=6526


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