奈米离电池技术剖析

录入：edatop.com 点击：

高容量奈米锂电池技术

目前商品化的锂电池所能提供的电池重量能量密度约175Wh/Kg，随着各种可携式电子产品对电源需求的增加，对于奈米锂电池的需求，将非常迫切。将高容量奈米正、负极材料组合搭配起来所行成的高容量奈米锂电池，材料系统包括奈米复合负极材料与奈米结构锂镍钴正极材料，初步电池重量能量密度高达205Wh/Kg，电池循环寿命达400次以上，并通过压碎、穿钉、过充电等安全测试，如(图九)为工研院材料所开发之高容量奈米锂电池外观与循环寿命图。随着搭配高容量奈米正、负极材料所需之配方最适化、电池设计、奈米锂电池制程的开发与成熟，未来奈米锂电池性能将可提升至250Wh/Kg，将远远超过现有锂电池性能。

(图九)　高容量奈米锂电池外观与与循环寿命图
＜资料来源：工研院材料所＞

薄膜锂电池应用

现代人皮夹内的卡片众多，举凡电话卡、车票卡、提款卡、信用卡、健保卡、贵宾卡、借书卡等等，不下十张卡片。未来是否有一张智慧的IC卡，可以採互动方式安全地取代所有卡片。这种互动式的IC智慧卡，宛如一个小型的电脑系统，不仅有简单的键盘可以输入资料，也有一个小小的液晶萤幕显示资料，且不需要读卡机，持卡人就可以直接由卡片上的液晶萤幕来读取卡片上的资料，因此此卡片需要有一个薄膜电池来提供电力。目前手机用的最薄型的高分子锂电池约3.8mm，而智慧IC卡所需的电池厚度则低于0.2mm，如(图十)。此种电池除了电容量需要15～20mAh外，其电流放电率仍需达C/5以上，因此需要利用特别的极板制作、电池封装技术，可藉由奈米纤维材料的制作技术来获得高容量且大电流放电率佳的超薄电池极板（单层极板厚度≦30(m）。(图十一)为奈米氧化物纤维材料之SEM表面结构图，(图十二)为奈米氧化物材料之大电流放电图。

(图十)　智慧IC卡与薄膜电池之结构示意图
＜资料来源：工研院材料所＞

(图十一)　奈米氧化物纤维材料之SEM表面结构图
＜资料来源：工研院材料所＞

(图十二)　奈米氧化物纤维材料之大电流充放电图
资料来源：工研院材料所

奈米锂电池技术研发瓶颈

根据日本IIT总合研究所2003年调查报告预估，全世界在2003年时，二次锂电池的需求量达12.53亿颗，较2002年的需求量（8.62亿颗）成长率高达45.3％，可看出二次锂电池产业的重要性，且未来需求及发展前景仍然是相当看好的。因此对于锂电池正负极材料的需求将是大增，在2003年全世界锂电池正负极材料之需求值达200亿台币以上。电池材料佔锂电池成本比例高，达30～40％以上，也是影响电池性能与安全最关键的材料。因此，开发高容量奈米级锂电池材料，以应用于奈米锂电池技术上，是目前全世界奈米锂电池技术，最需要突破的瓶颈。奈米锂电池强调的是高能量密度、高功率、高安全性，而最关键的是奈米锂电池材料，则包括高容量奈米级正、负极材料与高安全性与高导电度之电解质材料。奈米级电池材料在奈米锂电池的时际应用需要考虑的特性，包括材料电化学性质、制程加工性、安全性等等。高能量与高容量特性要求，另一方面，也代表着危险性的提高。因此，如何具有高能量密度、高功率特性，又兼顾高安全性，是开发奈米锂电池最重要的研发目标。一个无法制程加工与危险性大之高容量奈米电极材料，对奈米锂电池是没有意义的。毕竟，电池特性是需要在最安全的设计状况下，所能获得的最高性能为主，才能够作为系统产品之可携式电源，以保障消费者之电池使用安全为境界。在应用高容量奈米级正、负极材料于奈米锂电池时，除了开发材料的应用制程（粉体及浆料分散）技术外，也应同步开更为高安全性之电解质材料，以获得高安全性之奈米锂电池。

结语──奈米锂电池未来发展趋势

综合上述讨论，高能量密度、高功率特性，又兼顾高安全性之奈米锂电池，可以分为进程、中程、长程等三个阶段目标，可以先开发奈米表面改质与奈米结构材料技术，再跨入奈米复合材料技术与奈米粉体制造与应用技术，如(图十三)。从未来高能量奈米锂电池与材料的技术发展里程图，如(图十四)，可明显地看出来未来奈米锂电池，除了强调高能量化（高电池重量能量密度与高体积能量密度）外、也将特别重视高功率与高安全性之要求。针对不同应用产品，将导入不同奈米技术于下世代奈米锂电池与材料的开发。如此，不但可以获得具有高容量与高功率的奈米电池材料，来解决目前锂电池之技术瓶颈，增加电池的性能，除了可作为3C可携式电子产品之电源外；未来更可作为电动自行车、电动机车及电动车之动力来源。藉由奈米级电池材料及制程技术的创新开发，所发展之薄膜锂电池，将有机会应用于新世代的产品上面，包括IC 卡、MEMS、生医元件所需之薄膜锂电池。（本文原载于零组件杂志，作者为工研院工业材料研究所锂离子电池计画经理）