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電池技術百百種,鋰電池如何稱霸賽道?從結構及材料分析鋰電池競爭優勢

2022/06/10

面對極端氣候對環境造成的衝擊影響,近年來許多國家陸續加入減碳行列,宣示將達成「2050 淨零」,順應全球能源轉型為節能、創能、儲能、智慧系統整合等策略,國際能源署 (IEA) 預估全球至 2040 年再生能源占比將大幅提升,伴隨再生能源電力系統的發展,推估終端消費電力需求成長 60%,同時也使全球電動車與儲能產業的需求日益迫切。

 

 

在電動車領域,新能源的關鍵核心之一就是電池,光電池就占了總成本四成至六成不等,甚至可以說誰掌握了電池科技,就有機會在下一代的電動車市場取得先機。 

根據 TrendForce 數據顯示,2022 年第一季新能源汽車 (包含純電動車、插電混合式電動車、燃料電池車) 銷售總量為 200.4 萬輛,年成長 80%。其中純電動車 (BEV) 的成長力道最強,銷量高達 150. 8 萬輛。此外,依 IHS Markit 及 PwC Global 推估,2021 年電動車銷售量已占整體汽車市場的 17.9%,2022 年電動車市場將進一步成長至 2,090 萬輛,整體電動車市場滲透率將進一步提高至 25.2%;預計 2027 年電動車銷售量將正式超越傳統燃油汽車,這樣的趨勢也標記著國際各大車廠皆積極布局電動車電池市場。

 

至於在儲能產業,以抽蓄水力的方式進行物理儲能雖然還是占大宗,但極度受到環境條件限制,難以再有成長空間;而成長最迅速的儲能系統則是電化學儲能。電化學儲能仰賴多種不同電池技術,分別有其適合的應用場景。

 

不過目前全球電池技術發展尚未達成共識,根據需求,市場上的技術路線包括:三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池、無鈷電池、固態電池、鈉離子電池以及燃料電池等,各項技術百家爭鳴。然而隨著近年來新能源汽車的銷量不斷提升,不但推動鋰電池技術大躍進,並大規模應用在電動車產業,更因其製造成本隨著電動車市場規模下降。挾帶能量密度高的優勢,鋰電池也是目前在電化學儲能應用最多的電池。

 

 

 

鋰電池的架構及材料分析

鋰電池全名是鋰離子二次電池 (Lithium Ion Secondary Battery),二次電池表示可重複充放電,也就是充電電池,主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。電池在充電時,帶正電的鋰離子將電流中的電子移向陽極;放電時,鋰離子放出電子產生電能,並通過隔離膜回到陰極。

因此鋰電具有能量密度高、體積小、長循環壽命等鉛酸電池不具備的優勢,而被廣泛使用在智慧型手機、平板電腦、穿戴式裝置、筆記型電腦等小型及薄型化電子設備,還有EV (電動車)、HEV (油電混合車) 的車用電池、蓄電系統等應用。

圖一 鋰電池的基本充放電原理圖

 

圖二 3D X-ray 剖面觀察;3D X-ray 是一種可以進行斷層掃描的設備以非破壞式檢測電池內部得以觀察看到內部的結構狀況。

圖三 3D X-ray 俯視圖,用以檢查電池內部的焊接、捲筒是否對齊。

 

鋰電池的上游材料主要由正極材料、負極材料、電解液和隔離膜構成,其中正極材料是鋰電電池的關鍵材料,占鋰電池成本的 30% 至 40%,正極和負極材料合計占比達 60%。目前市面上的電動車電池正極材料以磷酸鋰鐵和三元材料為主。

 

 

正極材料

正極材料是鋰電池內儲存鋰離子的地方,材料特性直接影響了電池的能量密度、安全性、壽命等各項關鍵指標,其中提升鋰電池能量密度的關鍵在於鎳金屬的比重,所以高鎳化是未來鋰電池發展必然的趨勢。

 

圖四 SEM 觀察正極材料結構,並透過 SEM-EDX Mapping 分析元素分佈

 

 

負極材料

負極材料傳統以碳材料為主,未來則以石墨烯、鈦酸鋰、矽碳複合材料等各路線發展。其中,石墨負極能量密度只有 372 mAh/g,而矽材料的理論能量密度可達 4200 mAh/g。因此在容量方面,矽負極材料有明顯的優勢,矽基材料另外也結合了碳材料高電導率、穩定性及矽材料高容量等優點。

 


圖五 利用 XRD 晶體結構分析及鑑定晶粒尺寸


圖六 由 SEM 觀察負極材料結構

 

 

 

隔離膜

電池隔離膜多為具有微孔性結構的材料,材料多以高分子量的聚乙烯和聚丙烯為主,置於電芯內部的正負極之間,主要作用為隔離正負極板,防止電池內部陰陽極短路。在實際應用中,隔離膜種類又包括單層 PP 或 PE 隔膜,雙層 PE/PP 複合膜、雙層 PP/PP 複合膜、以及 PP/PE/PP 複合隔膜。隔離膜的品質是保證鋰電池安全穩定工作的關鍵材料之一,主要難點在於複合材料、強度、孔徑等部分,可以透過 XRD、SEM、FTIR 等設備來分析隔離膜種類,及原料顆粒的均勻度。

 

圖七 利用 SEM 觀察隔離膜表面微孔性結構

圖八 FT-IR 光譜所對應的官能基與資料庫比對為聚乙烯 (PE) 的光譜

 

 

電解液

電解液是電池內正負極間傳導的液體介質,同樣也是影響鋰電池性能的重要角色。隨著鋰電池在前端應用的趨勢持續推進,可預期在未來幾年內,電解液也將因應新能源市場需求銷量,進一步推升發展。

 

 

 

善用檢測分析 加速鋰電池研發進程

鋰離子電池是電動車、儲能電池最常用的電池種類之一,受到疫情的影響加上俄烏戰爭衝擊全球能源市場,使鋰離子電池用於電動車儲能的需求屢創新高。如今開發電池技術也日新月異,各研究技術路線著重在降低電池成本、高循環壽命、充放電效率及高安全等性能,因此電池的正極材料、負極材料、電解液、隔離膜四大關鍵角色決定電池結構品質。

 

面對環境變遷的浪潮,綠色能源材料儼然成為未來的重點發展趨勢之一,並隨之帶動檢測分析需求。閎康科技專精於材料分析,藉由最先進且完善的分析儀器設備,提供產品開發過程中所需的高階分析檢測服務,加速產品開發或驗證過程。

 

 

 

 

 

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