前瞻綠色材料高值化研究中心

技術開發與成果

D分項: 高安全性鋰離子電池與系統技術開發

D-1、研究計畫之背景:

近年來為了減緩全球暖化的速度,減少碳排放是主要的手段,全球各國政府、民間企業團體皆致力於發展綠色可再生能源及推廣節能減碳,綠能產業已列為我國未來發展之重點產業。可再生能源多為間歇性供應的能源,故需要中繼之儲能系統已獲得穩定的電源供應。另一方面電動車的普及也有助於碳排放量的減少,其中電池技術的開發對於電動車產業的發展亦為重要的一環。相較於其他電化學儲能系統,鋰離子電池具有高電壓、高能量密度、高功率、壽命長等優點,為目前電池儲能的主流元件。在可預見的未來數十年均將持續扮演舉足輕重的角色,對於可再生能源及電動車產業的發展會有重大的影響。為因應末端應用需求,鋰離子電池的發展一直朝向於追求高能量密度及高功率密度電池的開發。然而目前商用鋰離子電池採用有機電解液為主,具易燃性,化學穩定度較低,當電池多次循環後,由於內部結構、粉材劣化,內阻大幅升高等因素,可能造成充放電時過熱或鋰枝晶穿刺短路等問題,造成燃燒或爆炸的危險時有所聞。由於儲能系統與電動車的大量使用,鋰離子電池使用的安全性成為其應用的一項重要課題。鋰離子電池的安全性並非是一個單獨環節的問題,從單元電池包的製作一直到電池堆的組合與控制,其中每一個製作環節均能對電池的安全性有著重要的影響。因此要提升鋰離子的安全性必須從電池生產過程的上、中、下游技術同時著手,才能夠有效地提升最終使用的安全性。有鑑於此,本分項計畫的研發範疇涵蓋了鋰離子電池上游電池材料(技術項目一至四)、中游的電池檢測(技術項目五)、以及下游的應用控制(技術項目六),發展多個層面的重要創新技術,並且評估鋰電池儲能系統作為能源轉型策略上對於減排目標的貢獻。

D-2、研究計畫之技術:

本分項計畫主要分成六個技術項目:

技術項目():電池材料─電極表面改質抑制熱失控技術的開發

電池著火燃燒、爆炸在學理上統稱為熱失控(thermal runaway)。熱失控是一種複雜的機制,基本上當兩個電極之間的短路時大電流由正極流向負極而產生熱量。在負極側所謂的固液界面相(SEI)材料的分解放熱反應,是該過程的觸發步驟。 SEI量的多寡對觸發過程具有強烈影響,其量越多就產生越多的熱量。之後,隔離膜和電解質溶劑的燃燒繼續使溫度向上移動。在足夠的溫度下,氧化物正極開始分解並釋放氧原子(自由基),這加速了電解液燃燒過程,並在短時間內使溫度升高到非常高的溫度,引起爆炸和火災。傳統現有技術係以電解液防火添加劑的方式企圖提高鋰電池熱失控。此種傳統的方式的缺失在於添加劑的或者與電解液其他成分產生交互作用,或者阻礙了電極活物充放電的行為,進而嚴重降低了電池原有的性能。根據上述的機制,我們相信通過在電極活性材料上表面塗覆適當之功能材料可以達到兩個目的,以降低熱失控發生的機率。

技術項目():電池材料─高安全性鋰離子正極材料之製程開發與特性分析

由於磷酸鋰鐵正極材料具有優異的穩定性而被廣泛的應用於各式電子產品與電動車電池中。然而目前工業生產仍使用高溫固相法作為合成方法,高溫且長時間的製程會造成粒徑的增加,且無法避免過程中巨大的能源消耗。溶膠-凝膠法由於其實現了原子等級的混合,因此可大幅降低合成的溫度並縮短合成時間,但目前常用的螯合劑多為生物不可分解的高分子材料。本計畫是以新型環保生物高分子作為螯合劑,製備具有高性能的磷酸鋰鐵正極材料,減少製程的能源損耗,並提供新的乾淨製程。

技術項目(三): 電池材料─高安全性複合膠固態電解質的開發

根據熱失控的機制,減少電池中可燃性電解液的量,可有效降低熱失控發生的機率。利用原位聚合法(in situ polymerization)將傳統業態電解液在隔離膜中進行膠體化(gelation)或固體化(solidification)可有效提升電池的安全性。在電池組裝與製備上則可利用現有的材料與製程為基礎,透過後續簡易的熱處理而得到固態電解質,在電池效能、成本與製程的商業化上具有相當的優勢。本技術項目係以目前文獻所發表的商用電解液系統,導入本實驗所開發的多官能基寡聚物或高分子作為電解液的添加劑以提升所得固態電解質的穩定性、機械強度與擴大操作溫度。我們並將進一步開發具有鋰離子傳導特性的共價有機框架(covalent organic frame, COF)作為電解液的添加劑,在原位聚合後得到固態複合電解質以進一步提升電解質的傳導度、熱穩定性與抑制鋰枝晶成長的能力,以同時提升電池的效能及安全性。

技術項目()電池材料─新型高固態電解質開發及其於儲能之應用

現今常見固態電解質為硫化物、氧化物、鹵化物與鈉超離子導體型固態電解質。硫化物儘管具最高之離子導電率並可與液態電解質相比擬,然其與空氣中水氣反應產生硫化氫氣體,其具高毒性而導致安全性備受威脅。氧化物固態電解質則具對鋰之良好穩定性與高離子導電率,然其與兩極界面接觸問題仍限制此型固態電解質之發展。鹵化物固態電解質與前者均具高離子導電率,其製備方式適合量產並具未來商業化之潛力。鈉超離子導體型固態電解質具空氣穩定性,並可應用於金屬空氣電池。然與鋰之界面接觸與副反應問題,除氧化物型固態電解質外亦同樣困擾鹵化物與鈉超離子導體型固態電解質。面對並解決上述問題即可於固態電解質發展有所突破。

高能量密度全固態電池中,鋰金屬之使用提高電解質於低電位穩定操作之要求。鋰金屬於電池循環充放電過程中,因局部電流密度過大而產生之鋰枝晶若穿刺隔離膜將導致電池短路使電池失效甚或爆炸。故解決上述問題為本子計畫著重之目標之一。

技術項目()電池檢測技術─超音波非破壞檢測鋰電池健康狀態

本技術項目將持續前期優化超音波非破壞檢測鋰離子電池檢測技術,能即時準確且在不損傷電池情況下呈現鋰離子電池內部結構&狀態,對於使用前或使用中或退役鋰離子電池作健康狀態之檢測,增加電池堆應用之安全性。下列所將採取的研究策略:

  1. 優化超音波非破壞檢測技術
  2. 開發專用於鋰離子電池超音波檢測數據分析模型

技術項目()鋰離子電池系統應用與控制─儲能載具的系統整合示範

本技術項目旨在透過建構自駕電動運輸系統並整合太陽光電系統、儲電系統及充放電/換電站示範,呈現實現永續綠色碳淨零智慧運輸遠景,此系統將包含自駕電動接駁車與無人電動送餐/貨載具此兩大類運具。本計畫將設計建置一套結合自駕運具中央行控管理及能源系統監控功能之雲端中控系統,以實時監測太陽光發電系統、儲電系統及電動載具充放電/換電站之能源交換動態。本計畫規劃先後以台大校區作為示範場域,進行場域實證研究計畫,透過實際場域精準量測所蒐集之資料以建構出一套綠色自駕運輸(Green Self Driving Transport, G-SDT)系統運作模型,並根據系統持續運作所得之實測資料持續進行模型優化設計及最佳控制策略研擬、測試,進而導入AIoT技術,在G-SDT系統架構中佈建能源管理及自駕運具行控管理所需之智慧化模組,以進一步提升G-SDT系統在動態環境變因影響下之性能強健性(robustness)及應變能力,並且可在最佳經濟效益之下達成永續校園智慧運輸淨零碳排之最終目標。