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鋰離子動力電池負極材料技術發展趨勢 [趨勢新知]
種類:其他公告  發布單位:技術處  發布日期:2022-11-23 16:30
作者:王星淳/工研院

一、動力電池負極材料發展目標

鋰離子動力電池(以下簡稱鋰動力電池)為解決在電動車應用上續航力、里程焦慮等問題,在電池技術方面逐漸往高能量密度、高容量的材料進行發展。就目前正極材料發展是以高能量材料為主要應用以及改善目前所使用的正極材料以提高能量密度為目標,而負極材料技術發展則著重在電容量的提高,以現階段鋰動力電池中負極材料仍是以人造石墨(Artificial graphite, AG)為主要應用,原因在於碳系材料方便取得、製程技術成熟且成本低廉等優勢,占目前負極材料中65%的應用,但電容量表現上已發展到瓶頸。

二、碳系負極材料技術發展現況

碳負極材料以石墨化為主要應用,碳材料本身具有很好的導電性能,且利用石墨化後的碳材料所具有的有序層狀(Order layer)結構,使得鋰離子在嵌入負極材料中有很好的儲存空間。過去發展中以天然石墨為主(Natural Graphite, NG),NG為自然石墨化的碳材料,具成本低的優勢,但NG表面具有複雜的表面官能基團,部分官能基團會與電芯中其他有機材料產生不必要的副反應,且本身具有少量且難以去除的不純物,容易影響整體電池性能在長壽命的表現,常見處理方法會進行表面處理(如電漿)或高溫處理(約1500~2500°C)來降低其不純物含量。相較之下AG的製造則可利用雜質較少的碳材,藉由高溫進行石墨化,且在石墨化過程中可加入所需之官能基團直接燒製具功能性的AG,在電芯充放電過程中所發生的反應也較得以掌控,且隨著石墨化技術成熟,目前多以擴廠增加產能為主要發展,使AG的價格已與NG價格相近,在成本與技術優勢下AG成為了負極主要應用的材料。

三、矽負極材料技術發展現況

純矽負極擁有較高的電容量,而在室溫條件下矽負極理論電容量僅達3580mAh/g,但相較於碳負極材料仍擁有10倍左右的電容量表現。不過矽負極材料有嚴重的自身膨脹問題,由分子式可以得知在充電反應中5個矽可接18~22個鋰原子,相較於碳負極6個碳接1個鋰原子(LiC6)的情況下,其體積會膨脹原體積的40~400倍之多,在大規模且重複的膨脹與收縮作用下使得負極整體結構開始裂化、崩壞甚至破碎,且進一步破壞在充放電過程當中於負極表面所形成的SEI膜,在反覆劇烈變化下會持續消耗電解液而使整體電池性能銳減、循環壽命變差,過往多次造成電池廠商產品循環壽命大減而影響產品品質與商譽的事件。

四、鋰鈦氧化物負極材料技術發展現況

LTO由於零應變特性,在充放電過程中,無論多大的快充/快放,不容易影響LTO的結構上崩壞,在應用上可達到5~10C的應用條件,且循環壽命表現上相較於NCM/AG與LFP/AG約有10倍的循環壽命的優勢,但在終端產品應用上與碳負極或矽負極材料的電容量表現相當弱勢,因此在材料技術發展上會先將LTO製成奈米級顆粒,且漿料製成為解決LTO導電性差的特性,會添加高導電的奈米碳管導電劑(Carbon nanotube, CNT),減少導電劑在負極極片中的用量並增加LTO的使用比例,藉此提高整體電芯能量密度。

五、小結

綜合以上研究,動力電池中負極材料的發展,AG依然會是液態鋰動力電池的主要負極材料,在技術發展上已為成熟期,從原料取得、製程技術、電容量表現以及改質技術等都已相當完善,雖然很難有更進一步的突破,但相較於其他在開發中的材料仍是相對穩定,預計未來5~10年仍然會是主要應用。

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更新日期:2020-04-28

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