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[交流] 【其他】世代蓄電池之新材料技術已有3人参与

世代蓄電池之新材料技術 2011/2/23

全球正積極致力於擔任能源儲藏角色之蓄電池的開發。能有效降低C0[sub]2[/sub]排放、能源有效利用、能源儲藏量較多且易於利用的各�?蓄電元件，都是令人期待的開發目標。諸如，能發揮太陽能及風能達到有效利用之系統連結用的蓄電池以及油電混合車（HEV）、 Plug-in Hybrid Vehicle（PHEV）、純電動車（EV）等適宜移動的蓄電池等，能凌駕當前所有電池性能的新電池。
自19世紀伏特發明電池以?恚邪l主流一直侷限在少數幾種材料上，唯能跳脫此材料限制的就是鋰離子電池。在構造中，若鋰離子擴散，不管何種物質都有可能成為電池材料，各�?氧化物等可作為正極材料，碳及合金可作為負極材料?硎褂谩Ｔ陔姵亻_發上，材料開發的任務增加；於下世代電池的開發上，材料開發更握有主導權。本文即就材料技術觀點?硖接懴率来铍姵亍�
下世代電池材料的研發方向
為了�?現EV每充一次電就能達到300km的行駛距離，電池的能量密度最好能在500Wh/kg以上。具有500Wh/kg以上能量密度的鎳氫電池，重量高達100kg，已無法?M足車輛輕量化、空間精巧運用的設計需求。若改用重量較輕的鋰離子電池，即使經過既有構造的改良，其能量密度也跨不過250Wh/kg的界限值。下世代蓄電池需要仰賴電池材料技術的開發，讓鋰離子電池的能量密度更加提高，或進一步針對理論上可望達到500Wh/kg以上能量密度的創新性二次電池朝向�?用化的方向開發。當然，如何提高鋰離子電池的使用安全性與可靠性亦是同為重要的研發課題之一。
表一所示為製作鋰離子電池的主要材料。電池是由正極、負極與電解質所構成，而正極與負極的電位差可作為電池電壓?砝谩ｄ囯x子電池的電解質是利用EC及DEC等有機溶劑，而支持電解質則是利用LiPF[sub]6[/sub]等。
1. 正極材料
正極材料擔負著決定電池電壓與容量的重要角色，如果在正極使用電位高且具有大放電容量的材料，就能增加電池的功率輸出密度與能量密度。然而目前已達�?用境界的鋰離子電池正極材料的容量密度至高也僅在200Ah/kg左右。最早�?用化的4V級正極材料LiCoO[sub]2[/sub]面臨到鈷價高?q及資源量供應不足的問題，?u朝著藉由Co及Al等添加物讓其特性穩定的LiNiO[sub]2[/sub]、三元系LiNi1/3Mn1/3Co1/3O[sub]2[/sub]層狀岩鹽型等發展。也使用相對較為便宜之錳尖晶石系 LiMn[sub]2[/sub]0[sub]4[/sub]。橄欖石型LiFePO[sub]4[/sub]的開發則以美國為主。另外，雖然電位較低約 3.5V，但熱特性卓越，以鍍碳及微粒子化�?現高功率輸出的材料，也是著手開發的重點。但是這些材料的放電容量密度除了矽酸鹽系（Li[sub]2[/sub]MSiO[sub]4）之外，也都還在300Ah/kg以下，仍是鋰離子電池大容量化發展的障礙所在---本文�?錄自「材料最前線」專欄，完整資料請見下方附檔。

圖二、鋰離子電池負極材料研發方向示意圖

作者：材網編輯室/工研院材化所
★完整檔案內容請見下方附檔。

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1楼2011-02-23 17:26:02

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justinzhao

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光电池和光电化学分版-电化 ...

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全球正积极致力于担任能源储藏角色之蓄电池的开发。能有效降低C0[sub]2[/sub]排放、能源有效利用、能源储藏量较多且易于利用的各类蓄电组件，都是令人期待的开发目标。诸如，能发挥太阳能及风能达到有效利用之系统连结用的蓄电池以及油电混合车（HEV）、 Plug-in Hybrid Vehicle（PHEV）、纯电动车（EV）等适宜移动的蓄电池等，能凌驾当前所有电池性能的新电池。
自19世纪伏特发明电池以来，研发主流一直局限在少数几种材料上，唯能跳脱此材料限制的就是锂离子电池。在构造中，若锂离子扩散，不管何种物质都有可能成为电池材料，各类氧化物等可作为正极材料，碳及合金可作为负极材料来使用。在电池开发上，材料开发的任务增加；于下世代电池的开发上，材料开发更握有主导权。本文即就材料技术观点来探讨下世代蓄电池。
下世代电池材料的研发方向
为了实现EV每充一次电就能达到300km的行驶距离，电池的能量密度最好能在500Wh/kg以上。具有500Wh/kg以上能量密度的镍氢电池，重量高达100kg，已无法满足车辆轻量化、空间精巧运用的设计需求。若改用重量较轻的锂离子电池，即使经过既有构造的改良，其能量密度也跨不过250Wh/kg的界限值。下世代蓄电池需要仰赖电池材料技术的开发，让锂离子电池的能量密度更加提高，或进一步针对理论上可望达到500Wh/kg以上能量密度的创新性二次电池朝向实用化的方向开发。当然，如何提高锂离子电池的使用安全性与可靠性亦是同为重要的研发课题之一。
表一所示为制作锂离子电池的主要材料。电池是由正极、负极与电解质所构成，而正极与负极的电位差可作为电池电压来利用。锂离子电池的电解质是利用EC及DEC等有机溶剂，而支持电解质则是利用LiPF[sub]6[/sub]等。
1. 正极材料
正极材料担负着决定电池电压与容量的重要角色，如果在正极使用电位高且具有大放电容量的材料，就能增加电池的功率输出密度与能量密度。然而目前已达实用境界的锂离子电池正极材料的容量密度至高也仅在200Ah/kg左右。最早实用化的4V级正极材料LiCoO[sub]2[/sub]面临到钴价高涨及资源量供应不足的问题，渐朝着藉由Co及Al等添加物让其特性稳定的LiNiO[sub]2[/sub]、三元系LiNi1/3Mn1/3Co1/3O[sub]2[/sub]层状岩盐型等发展。也使用相对较为便宜之锰尖晶石系 LiMn[sub]2[/sub]0[sub]4[/sub]。橄榄石型LiFePO[sub]4[/sub]的开发则以美国为主。另外，虽然电位较低约 3.5V，但热特性卓越，以镀碳及微粒子化实现高功率输出的材料，也是着手开发的重点。但是这些材料的放电容量密度除了硅酸盐系（Li[sub]2[/sub]MSiO[sub]4）之外，也都还在300Ah/kg以下，仍是锂离子电池大容量化发展的障碍所在---本文节录自「材料最前线」