鋰離子二次電池極板製造技術：材料世界網

由於鎳氫電池發展較早，技術成熟，產品的安全性較高且成本較低，是目前油電混合動力車(Hybrid Electric Vehicle; HEV)市場的主流產品，但鎳氫電池在不使用的情況下，仍會釋放能量且能量密度低，並無法滿足未來更龐大的插電式油電混合動力車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle; PHEV)與純電動車(Battery Electric Vehicle; BEV)之電池需求。反觀鋰離子二次電池具有工作電壓高、能量密度大、循環使用壽命長、無記憶效應、對環境污染小、可快速充放電、自放電率低等優點，因此鋰電池被期待在未來車用電池市場中逐漸拓展其市占率。鋰離子二次電池目前仍以消費性電子應用為主，其中以筆記型電腦、手機所占比例最高，其次為工具機、數位相機、多媒體播放器、遊戲機等。根據日本富士經濟(FujiKeizai)調查顯示，鋰離子二次電池市場在2009 年大約是8,410 億日元，其中手機、筆記型電腦和其他可攜式設備約占97% 之多，電動車市場僅有250 億日元。

鋰離子二次電池製造過程

鋰電池製造工程大致可分為四大程序，其開發主題與重點項目如表一所示。若漿料分散不均、塗佈或乾燥製程控制不當，都會造成電池不良率提高，因此務必格外謹慎與注意。圖三為鋰離子二次電池正極極板之概略製造工程，首先將助黏劑 (Binder)溶液、導電材與正負極活性物質混合，經高速攪拌後，製成分散均勻且穩定的漿料，經由塗佈與乾燥程序後，最後再進行輾壓與分條，即可製造出鋰電池用的極板，本文將針對極板的塗佈與乾燥技術進行說明。

鋰電池之電極板組成

圖五為鋰離子二次電池正負極板橫切面結構，分別將電極材料塗佈在鋁箔與銅箔上，再經輾壓後形成電極板，當集電箔兩側使用助黏劑達到接著時，活物粒子也呈現相互黏著的構造。塗佈電極的橫切面與助黏劑的關係如圖六所示，助黏劑與活物質間存在最少的配合量，以滿足點對點的密著，同時也要能與集電箔有良好的接著；若助黏劑含量過高，可能會覆蓋在活物質表面，造成充放電障礙，助黏劑相對於活物質<3% ，是大家追求的目標；助黏劑使用量愈少，較能得到更高容量的電池。實際上，助黏劑分布不均（平面或橫切面）是常常會發生的，如何有效操控活物質漿料的黏度特性與塗佈量，速度與乾燥條件最適化是必要的。

圖五、鋰離子二次電池之電極結構

電極板塗佈技術

在一般鋰電池的電池芯結構中，會在鋁箔及銅箔上分別塗佈正極與負極活性物質，近年來因應市場上對電池安全需求提升，許多廠商會在電池芯結構增加功能性塗層，如熱阻斷層(Heat Resistance Layer; HRL)、PTC (Positive Temperature Coefficient)層等；另外，也可設計正負極活物層搭配安全材料層而結合成雙層結構，以確保電池結構有效避免電池內短路發生時，溫度上升所造成的危險，因此如何利用精密塗佈控制，得到高均一性的極板是一門重要的工藝技術。具體塗佈前應確認以下幾點，以得到最佳的塗佈結果：黏度、固形份比例以得到穩定目標量；防止異物（Filter 使用、磁石吸著）；除去溶存氧氣（利用NMP 吸收氧氣）；防止沉降（緩慢攪拌）、組成均一性取得穩定的目標量；防止吸濕與揮發（密閉系統）；塗佈機內部的循環（避免機構變化）；減少殘留未使用的漿料、避免廢液產生。

多樣化的塗佈Pattern

根據電池產品不同需求，可區分為幾種不同的塗佈Pattern ，包含全幅連續塗佈、全幅間欠塗佈、條狀塗佈、間欠與條狀塗佈等，如圖十所示；這些Pattern 的共通點是利用精密模具設計與機構控制，可達到雙面塗佈（圖十一(d)及(e)）或同時雙層塗佈（圖十一(c)及(f)）的產品需求。一般而言，鋰電池雙面極板的做法可分為兩階段間欠塗佈（一面塗完，再塗另一面）與雙面間欠塗佈同時進行，如圖十二所示。雙面同時塗佈除了可節省設備成本及占地空間之外，也可避免因第一面極板經過兩次乾燥所造成的差異，更重要的是，可以提高鋰電池極板生產能力；但雙面同時塗佈也有幾點必須特別注意，由於第一面與第二面塗佈機構不盡相同，因此對於模具模唇設計與漿料流體特性的搭配是相當重要的。

圖十一、塗佈截面示意圖