打造更安全更高能量密度的下世代鋰電池 臺灣團隊開發創新離子液體電解質材料

新網記者歸鴻亭台北特稿
2023/3/1 下午 05:08:58 / 電腦實境

　化石燃料日益枯竭，但人們對於能源的需求卻是與日俱增，如何有效利用可再生的潔淨能源來促使經濟與社會能永續發展已是各國長期關注的焦點之一。國家科學及技術委員會長期深耕於能源議題，強調基礎研究發展並積極推動相關國際合作。陽明交通大學材料科學與工程學系教授張仍奎團隊在國科會長期專題研究計畫以及台德鋰電池國際合作計畫的支持下，在儲能材料領域耕耘研究超過12年，獲得許多具體的技術進展，包括開發出鋰電池用高安全性、難燃、耐高溫與高電壓的離子液體電解質材料，研究成果也具體落實於多項產學合作中，正與國內相關廠商共同推動技術的產業應用化。

國立陽明交通大學材料科學與工程學系教授張仍奎說明打造更安全更高能量密度的下世代鋰電池技術。(歸鴻亭攝影)

　在各式儲能電池中，鋰電池擁有高能量密度、高功率密度、低自放電率、高充放電庫倫效率等諸多優點，已在各種應用領域成為重要裝置並為各國競相投入發展之課題。鋰電池雖有上述優勢，卻也面臨許多問題與挑戰，其中，鋰電池因熱失控(thermal runaway)所造成的安全問題，一部分是來自於傳統使用有機溶劑的電解液之低熱穩定性、高揮發性，與高度可燃性。電池熱失控所導致的燃燒、起火，與爆炸威脅，也影響了鋰電池的應用性。此外，為追求電池的高能量密度常需要高操作電壓，而傳統有機電解液在高電壓下易發生不穩定與分解，此不但加劇安全疑慮也造成電池性能的衰退。

　張仍奎表示，為了解決上述問題，該團隊開發了一系列的離子液體(ionic liquid)電解液。離子液體電解液在鋰電池中扮演在正負電極間傳遞鋰離子的角色，使充放電反應得以進行，是電池中的關鍵材料。由陰離子與陽離子所構成的離子液體是熔點低於室溫的熔融鹽類，因此具有本質離子導電性；另離子液體擁有寬廣的電位穩定窗口、高熱穩定度、低揮發性、且不易燃等特性。

張仍奎簡報離子液體的陰陽離子結構設計、鋰鹽配方，以及共溶劑與添加劑選擇等都有獨到的研發成果。(歸鴻亭攝影)

　張仍奎團隊深耕離子液體電解質的研發多年，對於離子液體的陰陽離子結構設計、鋰鹽配方，以及共溶劑與添加劑選擇等都有獨到的研發成果，已是國際間技術領先的團隊之一。所開發的新式離子液體電解質能有效提高電池高電壓下操作的穩定性，並大幅提升鋰電池的安全性。張教授所開發的離子液體電解質技術，具有以下亮點與應用效益: (1) 電解質具有寬廣的電化學穩定窗(> 5 V)，能提高電池的工作電壓；(2) 電解質優異的熱分解溫度(> 400°C)，能提高電池的熱穩定性；(3) 電解質對於電極材料與電極基板的腐蝕溶解度低，可提高電池耐用性與可靠度；(4) 使電池在熱失控時有較高的放熱起始溫度與較低的放熱量，提升電池安全性；(5) 使電池具有優良的充放電性能與循環充放電壽命。以因應對於高能量密度、高穩定性、長循環壽命，且兼具安全性儲能裝置越來越高的需求。

　以上電解質技術除了已陸續與多家公司及研發機構進行產學合作，朝產業化與實際應用化逐步邁進之外，張教授也持續與國際上頂尖的研究團隊，包含美國麻省理工學院Prof. Ju Li、德國Helmholtz Institute Ulm Prof. Stefano Passerini，以及日本九州大學Prof. Shigeto Okada實驗室合作，希望在將來開發更高性價比的耐高電壓高安全性電解質。張教授的研究團隊長年致力於儲能材料與技術的研發，在鋰電池正負極材料合成、離子液體電解質設計、固態電解質開發，以及高充放電功率超級電容器、鈉電池、鋁電池、鎂電池等研發領域都有豐碩且具體的成果。

自左至右為國科會工程處副處長郭箐、國科會主任秘書林廣宏與張仍奎。(歸鴻亭攝影)

　張仍奎對以上能源課題總計已發表269篇國際期刊論文，國內外專利18件，技轉授權案10件。在陽明交通大學材料科學與工程學系已建立了紮實的團隊與研究平台，從各種電池與電容器的電極材料與電解質開發、於乾燥室中的袋裝式電池製作組裝、電池與電容器的各項充放電性能測試，到電池與電容器的老化與失效鑑定分析，都有完整的設備與經驗，希望未來更致力於研發成果的產業應用化，為國內的能源材料研發以及相關產業繼續努力。