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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

297期2016年07月號

出版日期:2016/07/15

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開發奈米級SEI保護膜 延長電動車鋰電池壽命

撰文/陳玉鳳 攝影/黃鼎翔、李庭歡

工研院日前頒發工研院菁英傑出研究獎及產業化貢獻獎,其中,「化學SEI改質長續航力電動車鋰電池」獲得傑出研究獎金牌,這就像是為電極材料穿上彈性保護衣,保護其不受電解液攻擊而產生損傷,能夠提升電池循環壽命,是國際在高效率儲能電池技術上的一大突破。

我們即將迎來電動車時代,電動車電池的壽命也就格外受到關注,畢竟沒有人希望占整車成本四成的電池會在你換車前就壽終正寢,因此許多公司機構都在積極開發延長電池壽命的方法,工研院團隊就找到了,他們發現只要在電池中舖上一片奈米級薄薄的「面膜」,就可以讓鋰離子電池的壽命延長到至少10年,且效能大大提升。

為何這片「面膜」具有這樣的神奇功效?首先來了解為何電池在使用一段時間後,會發生無法充電或充電量減少的情況,其實,這是因為鋰離子電池在充放電時,有機溶劑會與電極材料產生電化學反應,於是就會形成固體電解質界面膜(SEI),這會消耗電極材料自身的鋰離子,讓界面阻抗增加且產生結構微裂縫的現象,而隨著充放電次數越多,累積的症狀就會越嚴重,所以電池就會發生充放電量不足的問題。

為電池敷面膜 讓它青春永駐

工研院材料與化工研究所所長彭裕民表示,「隨著電動車及太陽能儲能系統對電池使用壽命要求更高,讓SEI問題更被重視。」尤其是目前電動車動力電池通常是採用鎳鈷鋁三元矽(NCA)材料做為正極材料,更容易有安全性低、循環穩定性不佳與高溫放電容量損失較大等問題。

所以,為了要避免「天然」SEI造成損壞,就要想辦法保護電極材料,工研院材化所開發的「化學SEI改質長續航力電動車鋰電池」,就是以化學法直接在電極材料表面披覆穩定優異的「人工」奈米級SEI膜,也就是那片神奇的「面膜」,用來保護電極材料,如此能大幅減輕電極材料在充放電過程中受有機溶劑攻擊與破壞的程度,而且能抑制材料表面SEI膜的增長,這樣減低累積阻抗,進而提升電池的循環壽命。

彭裕民對於材化所的創新技術,有著極為生動的譬喻。「就好像我們敷面膜來改善膚質,替電池『敷面』也能讓它青春長駐。」

未來進一步使用能量密度更高的電極活物材料組合,可使電池芯更容易輕薄化,電池的體積能量密度推到1,000Wh/l以上,如此一來,電池的循環壽命就可提升超過3,000次,「以電動車為例,行駛里程數將可提高至550公里,電池的使用壽命亦能超過10年。」彭裕民說。

工研院材化所彭裕民所長表示,「隨著電動車及太陽能儲能系統對電池使用壽命要求更高,讓SEI問題更被重視。」
工研院材化所彭裕民所長表示,「隨著電動車及太陽能儲能系統對電池使用壽命要求更高,讓SEI問題更被重視。」

STOBA技術 確保電池防爆安全性

電動車電池的特性要求,除了壽命長外,安全當然更為重要,針對這個部分,工研院所研發的電池材料「自身終止高分歧寡聚物技術」,英文是STOBA(Self Terminated Olygomers with hyper-branched Architecture),正足以滿足安全需求。STOBA是一種奈米級樹枝狀結構的高分子化合物,當電池異常使得溫度不正常升高時,會自行形成一道薄膜阻隔鋰離子與電子的流動,以穩定電池,避免爆炸。

工研院材化所組長潘金平表示,「這等於是在鋰電池內放置奈米級保險絲,且材料上所增加的成本並不高,並具備壽命長、重量輕及耐高溫等優點。」導入STOBA與SEI保護膜,可提升電池續航力一倍、減少重量及體積40%、延長一倍使用壽命,在未來的電動車及智慧型手機等市場都有極大的發展潛力。

事實上,被尊為「鋰電池教父」的日本新力公司的前研發主管西美緒,就曾公開肯定工研院的STOBA是「非常傑出奇特的產品」。STOBA高安全鋰電池材料技術已移轉能元、有量公司生產高安全鋰電池,2014年開始供應中華汽車的電動機車及外銷日本儲電系統,甚至已也技轉世界一級公司日商三井化學,於2015年在臺灣生產 STOBA材料。

結合奈米級保險絲及保護膜 推出基板產品

現在,工研院已成功掌握電動車電池的兩大關鍵技術,分別是能滿足安全需求的STOBA技術,以及能延長電池壽命的奈米級SEI膜。

接下來,工研院計畫將這兩者,也就是奈米級保險絲和奈米級保護膜技術結合在同一極板上,以模組產品形式供應電動汽機車、儲能電池、智慧型手機等市場。臺灣在全球鋰電池產業中的角色份量,顯然將會越來越重要。

「化學SEI改質長續航力電動車鋰電池」,保護電極材料不受電解液攻擊而產生損傷,能夠提升電池循環壽命,是國內在高效率儲能電池技術上的一大突破。
「化學SEI改質長續航力電動車鋰電池」,保護電極材料不受電解液攻擊而產生損傷,能夠提升電池循環壽命,是國內在高效率儲能電池技術上的一大突破。

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