NAMI研準固態鋰電池 毋須換生產線

NAMI研準固態鋰電池毋須換生產線

[2024.03.18] 發表

【明報專訊】液態電解質鋰電池技術已發展到接近極限，下一代固態電池成為兵家必爭之地。然而，各國研製中的固態電池即使能夠解決技術問題，很多都需要使用全新生產設備，令生產成本估計至少增加好幾倍。為此，納米及先進材料研發院(NAMI)幾年前開始研發一種「準固態鋰金屬電池」，特點是採用一種準固態聚合物電解質，生產工藝可以和現有液態電解質鋰離子電池完全兼容，可沿用現有生產線，令生產成本相差無幾。

明報記者薛偉傑

攝影鄧家烜

納米及先進材料研發院(NAMI)高級技術經理路勝博表示，NAMI早在2018年開始研究「準固態鋰金屬電池」，產品特點是採用一種準固態聚合物電解質，代替現時普遍使用的液態電解質。所謂「準固態」電解質，與內地某些電動車公司和電池廠近年提出的「半固態」電解質相似，都有些像凝膠狀，但從肉眼看來前者已非常接近固體。

電解質先以液態注入再藉紫外光照射固化

至於這種電池的負極材料則是鋰金屬。正極材料是高容量的三元材料，例如鈷酸鋰或者磷酸鐵鋰。這兩者和市場現有的一般液態電解質鋰金屬電池(通常只使用一次)，並沒有什麼分別。但NAMI的「準固態鋰金屬電池」其中一個特點是，在鋰金屬負極前面加入了三維骨架結構。這種結構令到在放電和充電循環中，鋰金屬在負極的剝離和重新沉積比較均勻，從而可以大大延緩「鋰枝晶」(樹枝狀的金屬鋰)的形成。【「鋰枝晶」形成，會導致電池內部的活性降低，充放電效率減慢，甚至可能會刺穿電池內的隔膜，引致短路和自燃。】

此外，NAMI研發的這種準固態電解質，是先以液態方式注入電芯之內，之後再透過加熱或者紫外光照射來令它固化。NAMI將這種設計稱為「原位聚合」。

零下20度至攝氏70度可正常運作

這種設計的好處是，可以和現有的液態電解質鋰離子電池製程兼容，電池生產商毋須對現有生產線作任何改動，便可以升級生產NAMI研發的「準固態鋰金屬電池」。現時，「準固態鋰金屬電池」的原型的重量能量密度已達到大約400Wh/kg(包括封裝材料計算)，體積能量密度達到大約900Wh/L。

此外，它還可以在攝氏零下20度至攝氏70度的溫度範圍內正常運作。低溫下，其儲電量仍會縮小。例如，在零下10度時，其容量約為室溫時容量的90%；在零下20度，其容量則約為室溫時容量的70%。但這已經比市場現有的液態電解質鋰電池優勝一截，因為後者在零下20度時的容量，大約只相當於室溫時容量的50%。

至於這種「準固態鋰金屬電池」的充電倍率，現時是1C，即是最快1小時就完全充滿電，又維持到較長的使用壽命。估計在1C充放電的情形下，它經過500次充放電循環之後，容量仍然可以維持在最初的80%。

相比之下，現有的液態電解質鋰電池在經常快速充電的情形下，容量會快速縮水，壽命顯著縮短。現有的液態電解質鋰電池若要在500次充放電循環之後，容量仍然維持在最初的大約80%，就必須將其充電倍率降低至0.2C至0.33C，即是要3小時至5小時才能充滿電。

盼兩年內能量密度達500Wh/kg

路勝博強調，NAMI研發的「準固態鋰金屬電池」的原型現時的重量能量密度和體積能量密度，還未達到極限。理論上，重量能量密度可以達到500Wh/kg，期望在2025至2026年間實現；體積能量密度則可以達到1200Wh/L，期望在2026年實現。

現時，這種「準固態鋰金屬電池」的原型已經通過了刺穿測試，以及為時1小時的150度高溫濫用測試。但在商業量產之前，還需要先完成大量的安全認證工作。他估計，不論是應用於消費電子產品，還是作為動力電池，應用於電動汽車，都需要大約3年後才可以量產。

不過，在生產成本方面，這種「準固態鋰金屬電池」將非常吸引。以同一儲電量計，估計生產成本將會和現時的液態電解質鋰電池相距不遠(因為生產線毋須改動)。相比之下，多家外國公司研製中的固態電池的生產成本，至少也是液態電解質鋰電池的4至6倍。

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