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全球百大科技研發獎/27℃下的鋰電池新星 高能量及高安全樹脂固態電池

工研院研發「高能量及高安全樹脂固態電池」,不僅可快速充電又兼具安全性,亮眼表現一舉拿下2020年「全球百大科技研發獎」。
工研院研發「高能量及高安全樹脂固態電池」,不僅可快速充電又兼具安全性,亮眼表現一舉拿下2020年「全球百大科技研發獎」。

【撰文/賴宛靖】

你可曾仔細算過,身邊有多少必須靠電池提供能量的裝置?市面上標榜方便、快充放的電子產品,裡頭的電池當真安全可靠嗎?「現在鋰電池應用廣泛,消費者對電池的續航力要求愈來愈高,同樣的體積裡塞入更多電極材料,能量密度也撐到極限,」工研院材料與化工研究所儲能材料及技術研究組組長陳金銘說。

高能量密度鋰電池透過拉高正負極的電容量,讓不具儲電功能的材料,如銅鋁箔集電材、隔離膜盡可能輕薄,但這樣的電池架構卻極不穩定、易生危險。克服高能量鋰電池危險性有許多作法,包含陶瓷隔膜、熱阻絕層(HRL)、正負極表面改質、阻燃電解質等,固態鋰電池將易燃電解液用固態電解質取代,可大幅提高閃點溫度,電池更不易氣脹、漏液,更為安全。

此外,相較於傳統鎳鎘、鎳氫電池約有1.2伏特的電壓,1顆鋰電池就擁有3.7伏特,鎳氫電池要串連3顆才夠,因此鋰電池具有得天獨厚的優勢,未來固態電池技術逐漸成熟,甚至可以內部串聯達12V(Bi-polar),在系統應用端將可減少串並聯元件成本。

「不久的將來,各式以電驅動的交通工具將會是市場主流,能阻燃、耐高電壓、固態電解質已是鋰電池發展趨勢,」陳金銘說。工研院自2016年開始投入有機及無機複合固態電解質的研究,嘗試開發出可商業化的固態鋰電池技術,期望透過創新材料,提高鋰電池的安全性。

意外的發現 成材料突破關鍵

工研院材化所研究組經理葉定儒表示,一開始團隊以開發高離子導電黏著劑為目標,希望結合陶瓷電解質開發出可撓式固態鋰電池,取代目前商用黏著劑(PVDF),後來發現,要同時達到「高離子導電」及「高黏著力」極為困難,團隊試過不同樹脂、不同加工條件,離子導電度可以達10-3S/cm,但固態電解質膜強度仍太低。後來意外發現,在材料摻混過程中,剩餘有機樹脂在攝氏27度的室溫下靜置4小時後,竟能自行固化。這個「意外的驚喜」讓團隊意識到,這項材料可單獨作為固態電解質使用,遂將其獨立出來,針對其固化機制做更深入的研究。

「讓材料在室溫下固化的關鍵究竟是什麼?」經過2周的實驗,團隊找出當中的關鍵原料,再花上整整2年,反覆驗證,確認材料在室溫下凝固的原理,並導入鋰電池配方優化。研發團隊使用「聚醯胺環氧樹脂添加劑」(AEO),作為鋰電池電解液的添加劑,只需添加極少量的AEO,常溫下就可將鋰電池的商用電解液固化,同時具備液態高離子的導電度及固態安全性。至此,使用網狀聚醯胺環氧樹脂電解質(Networked-Amide Epoxy Polymer Electrolyte;NAEPE),兼顧高能量及高安全樹脂固態電池終於成形。此項技術在台灣、美國、中國大陸、日本獲證專利,有助提升產業在國際上的競爭優勢。

「近期有關固態鋰電池的研究如雨後春筍,只是目前產學界採用的陶瓷固態電解質界面阻抗大、加工不易,多用於小型藍牙穿戴裝置;但工研院的NAEPE固化時呈現網狀結構,可增加硬體結構強度,當鋰電池受衝擊時不易損壞,且電解液具有阻燃性,安全性大大提升。」

NAEPE固化時呈現網狀結構,可增加硬體結構強度,當鋰電池受衝擊時不易損壞,且電解液具有阻燃性,安全性大大提升。
NAEPE固化時呈現網狀結構,可增加硬體結構強度,當鋰電池受衝擊時不易損壞,且電解液具有阻燃性,安全性大大提升。

高電量又安全 NAEPE極具競爭力

葉定儒進一步表示,NAEPE在固化前是液態,在電池生產過程中用傳統注液方式即可;在常溫27度下就能固化的特性,讓電池業者無須改變現有製程,只需微幅調整工序,就能在既有生產線上應用,大幅提升廠商接受度;固化後閃燃點提高,具有難燃性、高溫循環壽命佳等特點。

性能佳、成本低、易加工的優勢,在在凸顯出NAEPE難能可貴的優勢。此外,NAEPE還可內部串聯,打破鋰電池內部單一結構的限制,單顆NAEPE就有12V的高伏特電壓。

研調機構財富商業洞察(Fortune Business Insights)預估,隨著新電池材料的持續發展,推升車用電池市場,至2027年市場規模上看822億美元。工研院研究團隊期待透過NAEPE的問世,能搶進高度成長的車用電池市場;也期望藉由固態電池技術,放大電池儲電能力,提升太陽能、風力發電等再生能源的儲電系統,有效調節離尖峰用電需求,也為臺灣正在萌芽的智慧電網領域,貢獻一份心力。

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