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功率技術/新能源  

設計壽命達20年的汽車用鋰離子電池

上網時間: 2008年02月25日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:汽車  鋰離子電池  石墨 

美國人對汽車的狂熱愛好是眾所周知的。事實上,歷史上首次出現汽車數量超過司機數量的國家就是美國。汽車代表了獨立性和移動性,而且在許多情形下,汽車是唯一可選的交通工具。

鑒於急劇上升的汽油成本和環境問題,美國人正重新審視對汽車的愛好,或者至少對汽油車來說,情況確是如此。在美國,99%的汽車和卡車使用石油產品,使用量佔該國供應量的三分之二。因此,朝替代性交通工具(如電池汽車或電力汽車)發展,是減少對石油依賴性的重要措施。新的鋰離子電池具備更長的使用壽命,可用於解決這些問題。

電池的作用

混合動力車(HEV)、電動汽車(EV)和插電式混合動力車(PHEV)等市場的真正成功,取決於電池技術的重大改良。安全性、再次充電時間、能量提供、極限溫度性能、環境友好性以及壽命(充電次數和使用時間)等,都是目前用於電動汽車上可重複充電電池技術所要考慮的因素,而到2010年,全球銷售的所有汽車中將有10%可能是HEV或EV。

目前混合動力汽車製造商傾向於在產品中使用鎳氫化金屬(NiMH)電池和鋰離子(Li-ion)電池。但過去,採用這些技術的傳統電池在進入上述領域時並未取得成功。例如,豐田的Prius、Camry和Highlander車款就採用了密封的NiMH電池組為汽車馬達提供動力。與鋰離子電池相較,NiMH的電能水準較低,自放電速度較快。由於實際使用壽命只有三年,因此NiMH不是EV汽車的理想解決方案。

傳統的鋰離子電池可提供高效的電能和很輕的重量。然而,由於其成本高,對極限溫度耐受性差,不太安全(安全性已成為目前採用鋰離子電池的最大障礙),這些電池也不是理想的解決方案。事實上,豐田公司稍早前表示,將延遲(1~2年)發佈新款裝備鋰離子電池的高哩程數混合動力汽車,原因就是擔心安全性問題。傳統的鋰離子電子提供3~5年使用壽命,可重複充電約1,000次。另一個問題是在可接受的使用時間內,鋰離子電池保證汽車行駛一定哩程所必須的體積。雖然我們可接受筆記型電腦和手機的電池使用時間比所宣傳的執行時間短(因為我們可以只在使用時插入電池),但對移動的汽車來說,這只是一個奢望。

適合EV汽車的nLTO技術

根據Altairnano公司的研究成果,新型的鋰離子電池具有更多優勢,包括電池的使用壽命長於一般的汽車。事實上,這些電池可以提供超過20年的使用壽命,並可提供25,000次完全再充電次數(相當於在電池組正常壽命內,車輛可行駛25萬英哩)。這些基於奈米鈦酸鹽的電池重量只有相同體積NiMH電池的三分之一,電能卻是NiMH的四倍。該技術採用了奈米級的鈦酸鋰氧化物(nLTO)電池電極材料,這種材料代替了作為普通鋰離子可重複充電電池中的標準負電極材料──石墨

壓力、應力和使用時間

在傳統鋰離子電池的充電過程中,鋰原子(減少的鋰離子)會在正極內沈積下來,然後又會在放電時釋放出來。石墨是一種二維晶狀結構。當鋰離子進入或離開正極時,正極的石墨平面會移動和張開,平面間分離度會達到10%以上,以適應鋰離子的尺寸。在放電時,這一過程則相反。

在電池生命期內,這種重複的移動和張力會使石墨平面產生疲勞,並最終導致石墨結構碎裂。這些碎裂會導致粒子間電氣接觸斷開,因而降低電池的能量,最終縮短其使用壽命。

用奈米級鈦酸鋰氧化物代替石墨使得nLTO成為‘零張力’材料。這樣,在鋰離子進入和離開粒子時就不會改變材料的形狀。nLTO材料是三維晶狀結構。這種結構具有容納鋰原子的空間,其大小與原子基本相當。這樣在充電和放電過程中就不會產生壓力或應力,使得電池可以比傳統的鋰離子電池更頻繁地進行充放電,因為不存在會引起石墨等材料損傷的粒子疲勞。傳統的鋰離子電池在廢棄之前一般可以充電1,000次左右(約三年),而使用nLTO材料的電池單元可以達到25,000次充放電次數(超過20年)。

圖1:在電池工作期間石墨和nLTO晶體的相對機械運動。
圖1:在電池工作期間石墨和nLTO晶體的相對機械運動。

作者:Evan House

資深材料與電源系統部門總監

Fayth Ross

行銷經理

Altairnano公司




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