從64th日本電池討論會看LMFP、LNMO及NTO電池材料發展現況

 

刊登日期:2024/4/17
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張家銘 / 工研院材化所
一、研討會內容簡介
日本電池討論會由日本電池技術委員會所主辦,首屆自1960年起於東京開辦,至2023年已為第64回舉辦,研討會主要內容為各式各樣的電池相關材料與技術之研究發表。現場分為A-H區同步進行發表,大致上主要可分為4個部分:
1. 鋰離子電池(鋰金屬、合金負極、大型&評估、正極、碳負極、氧化物負極、電解液、高電位正極、添加劑、導電劑、黏結劑)。
2. 全固態電池(硫化物電解質、鈉離子&其他、負極、氧化物電解質、正極、聚合物電解質)。
3. 鈉離子電池(正極、負極電解液&其他材料)。
4. 多價離子及新型電池、燃料電池(PEFC、SOFC與其他)、鋰硫電池、空氣電池、其他電池、Ni-MH.鉛.釩液流電池、空氣電池、電容器。
 
研討會包含各種各樣的電池及相關材料研究,共計有532篇投稿論文,鋰離子電池(包含固態電池)為最熱門的主題,相關正負極材料、電解液、添加劑及各種材料搭配之電池驗證研究眾多,也顯示目前電池市場與研究仍以鋰離子電池為主,另外鈉離子電池的相關研究亦有增加趨勢,推測未來電池市場發展還是以鋰離子電池為主流,鈉離子電池則可能會發展取代一部分性能及能量密度需求較低,以及較低價的鋰離子電池的使用。由於發表論文眾多無法全部介紹,本文選擇筆者關注之可能取代磷酸鋰鐵(LFP)的磷酸鋰鐵錳(LMFP)材料、磷酸鋰鐵錳混摻三元(NMC)電池、Toshbiba發表之鋰鎳錳氧(LNMO)/鈮酸鈦(NTO)電池相關數篇論文作介紹,望能提供讀者對LMFP、NTO此2種較新的電池材料瞭解及未來發展可能性。
 
二、研討會論文介紹
1. 國軒 240Wh/kg LMFP電池及CTP電池包介紹
    Qian Cheng, Hefei Guoxuan High-Tech Power Energy Co., Ltd.
本篇由合肥國軒公司發表LMFP電池,圖一~二為合肥國軒的Astroinno Battery L600 LMFP電池性能,國軒宣稱此電池為完全不含NCM的電池,電池能量密度達240 Wh/Kg、525 Wh/L,室溫循環可達4,000 Cycle,高溫循環可達1,800 Cycle,且可進行18分鐘快速充電(約3.33C),並可通過所有的中國國家安全標準測試,成組效率可達76%,電池pack能量密度可達190 Wh/Kg,預計有1,000 km以上續航能力。電池技術特點為正極部分透過國軒的材料合成技術,可抑制Mn溶出,並提升電池倍率放電及循環性能;負極部分藉由特殊設計之多層結構,可讓鋰離子快速通過,能兼顧高容量及快充性能;電解液部分由美國的克里夫蘭團隊開發的新型添加劑,可提升電池高溫循環壽命。另外搭配國軒獨自開發可耐1,200℃高溫的斷熱片,以及電池pack內配置的主動式安全BMS系統及快速冷卻系統,可確保電池的安全性。L600系列「Astroinno Battery」電池預計於2024年量產。
 
圖二、合肥國軒Astroinno Battery L600電池Pack性能
圖二、合肥國軒Astroinno Battery L600電池Pack性能
 
2. 磷酸鋰鐵錳(LMFP)造粒&搭配石墨全電池電化學特性
    池上潤、及川睦貴、大神剛章 / 太平洋水泥;金村聖史 / 東京都立大學
本篇由太平洋水泥發表其製作的LMFP粉體性能,以水熱法方式製作LiMn0.7Fe0.3PO4(LMFP)後再加入碳源進行造粒,惰性氣體燒結後得到如圖三的粉體,D50為15 μm,BET 19 m2g-1,以SEM與 XRD確認粉體符合預期後,再搭配石墨負極& 1.2 mol/l LiPF6(EC:EMC=3:7 vol%) 電解液進行全電池驗證,Power Type 配方為LMFP:SWCNT:Binder = 95.6:0.4:4,塗重為7 mg /cm2 ,極板密度1.8 g/cc;Energy Type 配方為LMFP:SWCNT:Binder = 96.85:0.15:3,塗重為20mg/cm2 ,極板密度2.5 g/cc。測試條件為30℃下電壓範圍4.2~2.5V,Power Type全電池 5C/0.2C 放電維持率可達64%,循環壽命500 Cycle 容量維持率83%;Energy Type 全電池放電能力如圖四,3C/0.2放電維持率可達53%,循環壽命150 Cycle 容量維持率83%,並且2Ah電池可通過針刺安全測試,穿刺過程中最高溫度僅49℃,顯示LMFP電池的高安全性。經提問為什麼使用SWCNT而不是MWCNT或其他導電劑,演講者回答其測試過許多種導電劑,目前以SWCNT效果最佳。
 
圖三、太平洋水泥 LMFP粉體SEM
圖三、太平洋水泥 LMFP粉體SEM
 
4. The future of lithium-ion batteries at Saft: energy and safety 
    Benoit Mortemard de Boisse, Cécile Tessier, Patrick Bernard Saft Corporate Research,
    Bordeaux, FRANCE
本篇由SAFT 所發表,首先簡單介紹LMFP材料,其電壓較高相對LFP及NCA材料有優勢,如圖八。後續分為兩部分,第一部分介紹SAFT對LMFP-NMC電池充放電研究,其電池為70% LMFP混摻30% NMC,研究在充放電時的LMFP及NMC充放電順序,在充電時LMFP先充,NMC後充;放電時則為NMC先放,LMFP後放,可知NMC在其中作為buffer存在,能提升LMFP電池充放電表現。第二部分則是 ---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

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