2015/6/30 由承德科技所籌組的「前瞻電池研究與測試技術交流平台」舉辦第二次技術講座,主題為:鋰電池壽命與健康狀態研究

首先第一場次由大同大學材料系吳溪煌教授帶來「鋰離子電池老化」,無論當天在場的朋友,或是無法參加的朋友,跟著我們一起來回顧一下吳教授精彩的演講吧。

  

u  鋰離子電池發展趨勢

根據世界鋰離子電池市場調查,自2011迄今鋰離子電池市場持續呈現正成長且預估2016在ESS(Energy Storage System,儲能系統)與EV(Electric Vehicle,電動載具)應用上有大幅成長。由於目前電力轉換與馬達驅動技術的進步,自石化燃料提取至車輛動力輸出效率,純電動車輛系統較內燃機(引擎)車輛系統高出8%。電動車輛系統由早期小於1kWh的Micro Hybrid(微動力混合系統)發展至15~40kWh 的Electric Vehicle(純電動系統) ,鋰離子電池持續扮演供給電源的角色。

在儲能系統方面,2000年以降再生能源應用刺激了智慧型電網的發展。儲能系統是智慧型電網的關鍵元件。由於大多數的再生能源是無法即時滿足電網需求或在電網低消耗時會供給過剩,所以需要儲能系統做緩衝調節。鋰離子電池適用於3kW~35MW、0.6kWh~100MWh中、小型社區儲能系統。鋰離子電池相對於CAES(Compressed Air Energy Storage,壓縮空氣儲能系統)等大型儲能系統其高能量密度的特性使得儲能系統較易於設置。

u  鋰離子電池種類

鋰離子電池結構如下圖所示。兩極電流集版(Current Collector)成分較固定:正極電流集板主要成分為鋁、負極電流集板主要成分為銅。兩極之間的隔膜(Separator)成分為多孔PE或PP。負極(Anode,陽極,氧化極)主要為天然石墨或人工石墨部分參雜砷、氧化矽。正極(Cathode,陰極,還原極)成分為較豐富且為鋰離子電池主要分類依據。嵌入型鋰離子電池正極材料已成熟發展:LiCoO2、Li(NiCo)O2、Li(NiCoMn)O2、Li2Mn2O4、LiFePO4。Li2MnPO4F、Li(MnNi)2O4、LiMn2O3‧LiMnO2、Li2MnSiO4等轉換型材料尚在研發階段。鋰離子電池正極材料對電芯電位影響較大,使得鋰離子電池工作電壓與放電曲線會隨著正極材料不同而迥然相異。此外,正極材料與電池其他特性也有相當的關係:如磷酸鋰鐵電池(LiFePO4)充電時因為磷酸根對氧鍵結穩固不釋出氧氣,所以電解液可以承受較高的反應溫度且不易產生內部過壓的問題。但磷酸鋰鐵電池的正極材料也存在低鋰離子擴散速率與低電子傳導速率的特性,這意味著正極無論是輸出或輸入電流皆會因此特性受到侷限。

鋰離子電池結構

u  大型鋰離子電池發展

大型鋰離子電池(工業用鋰離子電池)相對傳統鋰離子電池(ex : 18650封裝鋰離子電池)有較高的可靠性與能量密度,在高功率應用上較易於設計與整合。但大型鋰離子電池若內部短路產生的熱失控與過充產生的結構過壓等異常情形造成的安全疑慮也更勝於傳統鋰離子電池,且大型鋰離子電池製程成本也相對高、製造良率也相對低。安全性、成本與循環壽命是大型鋰離子電池設計應用上必須處理的重大議題。

大型鋰離子電池發展非一蹴可及而是需要多層面的發展,不只侷限在電極材料上發展。如:封裝結構的熱管理、壓力管理設計、應用時搭載的BMS(Battery Management System,電池管理系統)、SOC(State of Charge, 電池內部含電量狀態)與SOH(State of Health, 電池健康狀態)估測、演算法,甚至於後端檢測汰役電池與回收使用方式,都需要持續精進與開發。

u  電池測試與老化分析

電池測試是電池製程以及電池材料研究、發展程序的一部分,同時也用以驗證電池品質符合設計。在SOC與SOH估算也需要透過電池測試分析特性與建立等效模型。電池測試有許多類型,其中電池分析(Battery Analysis)與電池失效分析(Failure Analysis)將在此做進一步探討。

電池分析主要目的在提供參數用以指示SOH 。 SOH是一種用以衡量電池因存放或使用因素造成效能衰退情形的相對性指標。SOH會納入充電接收能力、內阻抗、電壓、自放電率等參數做為評量參考,但SOH沒有絕對的定義。在EV應用上著重於整體續航力,SOH即基於目前電流容量與出廠電流容量的比較值衡量;HEV(Hybrid Electric Vehicle ,混合動力載具)應用上著重於輸出功率,SOH即基於目前電池直流內阻或1KHz動態阻抗(Impedance)與出廠電池直流內阻或1KHz等效阻抗比較值衡量。

電池失效分析針對鋰離子電池老化(Aging)主要肇因:電壓效應、溫度效應、機械式疲勞與周期壽命。電壓效應包含電池過電壓時析出鋰枝晶(Lithium Plating)、內部過溫與單電芯低於2V時發生電極損壞;溫度效應包含低溫操作時反應速率與擴散速率下降、負極析出鋰枝晶造成無法還原的容量損失與高溫操作時電極崩解、熱失控。

u  總結

  • 在EV與ESS應用上鋰離子電池做為電能儲存裝置是可行且可預期的。但鋰離子電池還是存有需處理的議題:成本、安全性、最大里程、充電時間與周期使用壽命等。
  •   目前技術欲顯著提升鋰離子電池能量密度同時兼顧安全性相當困難。Li–S與Li-air尚在研發階段。
  •   透過分析各項鋰離子電池老化成因以提升電池效能是較為可行的。

 

以上內容由「前瞻電池研究與測試技術交流平台」工作小組分析製作。

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