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zz ?牟牧霞夹g看電池模組與系統發展趨勢
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?牟牧霞夹g看電池模組與系統發展趨勢 2008/9/18 [ [url= ocPrint(7213)]友 善 列 印[/url] | 推 薦 好 友 ]為了趕上系統產品的功率消耗，鋰離子電池材料不斷演進，再加上近年原物料的波動，讓正極與負極的新材料都呈現多元的發展，而其材料的變化將組合出更多的電池設計，以?M足各家系統產品不同的需求；文中以目前數個備受矚目的正負極材料系統，利用18650電池作預估，根據計算，未?淼匿囯x子電池，在能量密度上仍有150%的成長空間。然而，因新型負極材料的電壓(vs Li/Li+)普遍較目前的石墨材料高，因此未?淼母呷萘繂坞姵仄骄ぷ麟妷簻p低後，只有搭配更低工作電壓的元件，才可能達成讓筆記型電腦續航8 小時的目標。 原物料價格趨勢 近期電池價格上揚，主要受到電池所需之原物料上?q之故，檢視一顆3C用鋰離子電池的材料成本結構，可以發現?纂姵刈罡叩氖钦龢O材料(47%)，其次是隔離膜(20%)，再者是電解液(9%) 與負極材料(8%)(1)；金屬原物料價格波動幅度對於正極材料的影響頗鉅，由圖一(a)與(b)可知，2006 年鈷價約為13~40 USD/lb ，在2007 年底2008 年初， Co 價甚至?q上50USD/lb ，雖然近期因為剛果戰爭止息，讓Co 礦恢?�?K擴大開採，導致連續四年飆?q的Co 價回跌，分析師預測Co 價兩年內回落到20~25USD/lb 之間，造成最近鋰鈷氧正極材料價格跟著下滑，屆時Co 與鎳價格之差�?可能縮小至一倍左右的價差。  圖一、(a) 1980~2007 年鈷價變化圖；(b) 2007.07~2008.07 鈷價變化圖 將時間拉回到2002 年， Co 價因供需失衡，一路由6.5USD/lb 起?q，加速多種正極材料的研發，其主要發展方向為減少Co成份及提高電容量，而Ni 材料不失為一個主要可以取代Co 又可以提高容量的方案。?腃o 與Ni 的需求百分比可以看到（圖二(a)與(b)），拜鋰電池之賜，有22% 的Co材料被用在電池上，此乃是Co 的首要用途，而Ni 主要用在不銹鋼(64%)上，用在電池上的比例小於2% ，價格為15USD/lb 左右，目前的Mn-Co-Ni 三元系統正極材料已經?u?u取代LiCoO2的地位， 目前已有16% ，另外在Ni-Co 二元系材料也有5% ，Co 礦的供給增加，以及在電池方面的需求減�?，都反映在Co 價的回落上。  圖二、(a)鈷材料；(b)鎳材料之應用領域 正極材料技術發展 鋰離子電池的發展與正極材料的發展息息相關， John B. Goodenough 教授在1980年發明LiCoO2 材料， 1991 年後被使用在鋰離子電池上，一直延用至今，而他在1996年發明LiFePO4材料，為電動車用鋰電池埋下伏筆， LiMn2O4材料在1983 年由Michael Thackeray 博士發明，其在2001 年又發明Li2MnO3-LiMO2 的正極材料，為未?淼母呷萘夸囯姵卦冱c亮一盞明燈；在通往Li2MnO3-LiMO2 這�?的正極材料之前， Mn-Co-Ni 三元系統的層狀正極材料正在大行其道，其挾帶著高容量、高安全性以及低價格的優勢，?u?u取代LiCoO2材料的市場， Co-Ni二元正極材料因為Ni 材料在層狀結構中?K不穩定，導致其表面反應性較純LiCoO2高，這些特質會增加製程上的困難度及反應於電化學特性的缺陷，幸而諸多研究人員利用表面改質或�?質元素摻雜而獲得改善， Ni-Mn 二元系正極材料因為有較高的結構穩定性，可以承受的鋰離子脫出比例較高，在電容量、安全性以及價格上均有優勢，但因為合成時Ni 與Li 置換比例高，以致提高了材料合成的困難度，其雖然尚未有商業化的產品出現，但已成為目前受 矚目的正極材料之一。 由Argon 國家�?驗室(ANL)發展出?淼腖i2MnO3-LiMO2的正極材料，呈現出15μm左右的球狀（圖三），由鈕扣型電池所測得之電化學特性得知，放電電容量可達到270mAh/g 以上，平均工作電壓為3.6V(vs. Li/Li+)，且具有相對穩定的循環壽命， ?膶＠鸘S-6677082 和US-6680143 可以得知此概念在2001 年被發明，專利在2004 年�?核通過，在2008 年4 月時， ANL 授權給日本Toda Kogyo 公司生產製造，奇特的是為何在美國國家�?驗室發明的材料，會授權給日本的材料公司呢？其原因可能是美國鋰電池產業供應鏈?K不完整，相對於日本3C 用鋰離子電池產業中，上游的材料生產、中游電池製作以及搭配下游系統產品的網絡健全，相對於美國而言已形成巨大的進入障礙。  圖三、ANL 之正極材料的電子掃描影像圖 負極材料技術發展 負極材料的發展亦是鋰離子電池發展中重要的一環，其系統可由電容量較低的焦碳負極材料系統、穩定性高的介相碳材系統，到目前極具有價格優勢的石墨系統。目前握有關鍵負極材料專利的公司即為目前負極材料之供應商，如Hitachi Chemical 、JFE Checmial、Nippon Chemical、Misubishi Chemical 等公司，其利基點在於本身製作碳材料已行之有年，因此在生產製造技術、專利?丫忠约靶袖N通路上相較於新進入者完整；而截至目前為止，碳材料在鋰離子電池的負極材料，?琢�99% ，目前高容量負極材料系統多以錫和矽材料為主，各家新型的負極材料如表二所示。複合材料中若有其他的材料，如石墨、錫或氧化矽等，亦可以比照此公式做計算，體積膨脹的問題可以在材料設計上進行改善，亦可以?臉O板結構?碜餮a?姡责ぶ鴦┫到y因有環保、低價以及高效等特性，已多用於負極極板製作上，因其水性黏著劑在活性材料間分布特性不同於一般PVDF ，因此對於材料因體積膨脹劣化有顯著的抑制作用。 表二、各家電池?S的新負極材料  高能量電池技術 鋰離子電池之核心－電極結構具有可曲之特性，因此外型?K不侷限於圓柱或方形，因為電池最終是要與系統結合，因此外形尺寸定義常受限於系統的設計要求，在固定的外形定義下，而電池的特性取決於諸多參數的設計，如正負極材料之選擇、電極面積之設計、電流密度之匹配、電極厚度與壓�?密度調整等，都是決定電池性能的重要參數。另外集電金屬箔與隔離膜的選用則影響電池的加工性與安全性， CID(Current Interrupt Device)與安全閥作動壓力、PTC (Positive Temperature Coefficient)溫度敏感度對於電池在誤用時之保護扮演重要的角色。 電極密度的提高為諸多電池?S與材料?S商研究之重點，我們利用熟知的18650 電池當作一固定的尺寸，目前為了將電池容量提高，舉SDI 為例，其發展Li1.1V0.9O2 (LVO)負極材料，添加在石墨負極極板之中，藉由增加極板密度(g/cc)提高極板的容量密度(mAh/cc)，?K且在與LiCoO2搭配成18650 電池時， 其電容量LVO 的比例提高而增加，但是其能量密度卻隨之減低，其原因為導入LVO 會使平均工作電壓減低之故；因此，?倪@個例子可以得知，能量密度之提高與否，除了考慮材料的克電容量之外，平均工作電壓亦是重要考量之一。 而材料的粒?椒植寂c表面形態，會影響粉體的堆積密度/ 電極密度，若是材料的粒?椒植季唬瑹o論材料大小，其最高密度為74% ，材料?S商多藉由調控粒?椒植迹_到提高電極密度，而最常使用的是以同一材料兩種粒?椒植迹蚴褂脙煞N不同材料個別不同粒?�?磉_成。目前的石墨材料的電極密度可達到1.8 g/cc ，約為理論值的80%。 若以華碩Eee PC 8G（2 串2 ?愕碾姵啬＝M）為例，目前約可使用的時間為3 小時，若其目前使用的單電池為18650 電池2.2Ah(3.60V, 7.92Wh)，改以Li2MnO3-LiMO2/SiO-C組合之電池(19.9Wh)替代，則可以將使用的時間拉長到7.5 小時；若是將最安全的電池(LiFePO4/ Li4Ti5O12, 4.2Wh)放入Eee PC ，則僅能夠使用1.6 小時。 鋰離子電池的平均工作電壓隨這正負極材料之搭配而改變，更高容量或能量密度的鋰離子電池因為採用新型態負極材料之工作電壓，致平均工作電壓均偏低，可能?谋�?淼�3.6V 下降至2.9V ，而可工作電壓的下限也可能隨之調整至2.5V ，甚至是2.0V ，若是以目前常用的3S2P 模組?砜矗刂狗烹婋妷航禐�6V ，若是2S2P 則降至4V ，屆時需要更低工作電壓的系統元件與電池搭配，才可能達成NB 連續使用8 小時以上的目標。 對於電池模組與系統發展趨勢有興趣者，歡迎mail至[/url][url=mailto:materialsnet@itri.org.tw]materialsnet@itri.org.tw 作者：林育?櫋⒎饺饸J 、�?鴻昇 / 順達科技公司 ★本文�?錄自「工業材料雜誌261期」，更多資料請見：http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=7179 |
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