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[Wispro專家觀點] 專利有解:從電芯、模組、電池管理的角度防止鋰電池熱失控(上)
[Wispro專家觀點] 專利有解:從電芯、模組、電池管理的角度防止鋰電池熱失控(上)
[Wispro專家觀點] 專利有解:從電芯、模組、電池管理的角度防止鋰電池熱失控(上)
Wispro
發表於 2022-10-06
觀看數:887

日前曾經發生一起藝人駕駛電動車撞車事件。筆者細看了一下車禍現場的照片,發現電動車被嚴重燒毀。細查車禍當下車速並不快,而究竟是什麼原因導致汽車全毀。大部分的原因來自於電動車的動力來源鋰電池。鋰電池中包含了易燃的鋰金屬與有機材料,使得電池損壞時會持續高溫燃燒,不易撲滅,甚至產生爆炸,這樣的現象叫做熱失控(Thermal runaway)。隨著鋰電池被廣泛地運用在電動車中,為了提高行車安全,熱失控現象已成為業界急需解決的難題。本文就從專利的角度,讓讀者了解業界提出了哪些方案來解決鋰電池熱失控。

 

專利檢索方式說明

 

專利檢索方式如下表所示,針對2010年後申請的美國專利,利用關鍵字找出鋰電池涉及熱失控議題的專利;檢索結果共包含約2,700件美國專利。本文之專利分析皆在此範圍之內,並以專利數量作為分析的基準。

 

專利權人分析

 

圖 1為熱失控方案相關專利之專利權人列表。從圖 1可以看出從上游材料到汽車製造公司都投入相關專利佈局。上游材料以日本美國企業為主,例如Mitsubishi Chemical 與3M。在公司列表中數量最多的是電芯製造公司,包含了日本、韓國與中國的主要電池芯供應商,例如Panasonic、LG Chem以及寧德時代;美國公司則有固態電池新創公司QuantumScape與PolyPlus。車用零組件公司包含Johnson Controls與Bosch。車廠包含了傳統車廠例如Toyota、GM,以及新創車廠Tesla、Faraday Future等公司。由此可見,從上游材料供應至下游汽車應用,整個產業鏈都在致力於解決鋰電池熱失控的問題,並提出了各自的解決方案。

圖1 鋰電池熱失控解決方案之專利權人

 

專利申請趨勢

圖2為鋰電池熱失控相關專利逐年申請數量變化趨勢[1]。可以看出從2010年開始,專利申請數量呈現上升趨勢。主要原因是電動車市占率上升,鋰電池安全的議題越來越被重視,業界投入更多資源來解決熱失控的問題。

圖2 各區域之半導體設備公司專利申請趨勢

 

鋰電池熱失控解決方案之技術分類

鋰電池發生熱失控的原因有很多。電池芯內部的原因包含在充放電過程中,金屬鋰在負極上會結晶形成樹枝狀的金屬鋰-「鋰枝晶」。當「鋰枝晶」生長到一定程度便會刺破隔膜,造成鋰電池內部短路。外部原因是電池充放電過程中會產生熱量,當散熱不佳時,熱量會累積在特定區域,導致過熱燃燒。除此之外,電池過度充電或是過度放電也會使電池內部發生化學反應,產生可燃性氣體導致燃燒爆炸。

 

圖3 鋰電池防止熱失控相關專利之技術歸納

 

如圖3所示,在本次專利檢索範圍中,相關專利主要可以分成三大技術類別:電芯改良、模組設計以及電池管理。電芯改良是指從電芯製造的角度,改良電池正極或負極所使用的材料,或是改良電芯的結構,以降低電芯燃燒的機率。模組設計是指將多數電池芯組成所需電壓跟容量的電池模組。模組設計中防止熱失控的方案一般是加強電池散熱冷卻,避免局部過熱,以及避免過熱的電芯延燒到其他電芯。電池管理是指在使用電池時,利用充放電控制避免過充或過放,同時監控電池狀態,即早發現異常。以下將針對三種技術分類進行詳細解析。

 

電芯改良技術分類

 

電動車所使用的鋰電池為傳統的鋰離子電池,其結構包含正極、負極與電解質,正極與負極之間利用隔離膜分隔。為了增加能量密度,正極、負極與隔離膜採用多層堆疊或捲繞的方式形成圓柱型、軟包型或方罐型電池[2]。如圖4所示,從電芯改良的角度解決鋰電池熱失控的方案,包含了正極、負極等材料的優化,以及電芯結構設計的優化。

圖4 鋰電池防止熱失控相關專利之電芯改良技術分類

 

  1. 正極材料優化

目前鋰電池的正極活性材料的導電率與導熱率比較低。導電率低表示在放電時容易產生熱量,而導熱率低則不能有效地傳遞熱量,因此熱量容易累積產生熱失控。Global Graphene公司所申請的美國專利US11217792提出了一種新型的正極材料,如圖5所示。該正極材料為多顆正極活性材料顆粒以及片狀石墨烯所形成的複合式顆粒。石墨烯具有較高的導電度與導熱度。片狀石墨烯包覆在複合顆粒的表面,也摻雜在複合顆粒的內部,增加其內部正極活性材料顆粒之間的導電與導熱效果,因此可以降低熱失控的危險。

圖5 Global Graphene公司美國專利US11217792之圖式

 

  1. 負極材料優化

如前所提,鋰電池在充放電過程中容易產生鋰金屬枝晶,導致內部電短路和熱失控。因此,Global Graphene公司的美國專利US10862129強調在負極材料與隔離膜之間增加一層由高彈性高分子所形成的保護膜,如圖6所示。該高分子保護膜的優點在於:(a)大幅減少鋰枝晶的形成;(b) 使鋰金屬均勻分布地沉積在負極;(c) 該保護膜確保鋰離子順暢傳導到負極,具有較低的介面阻抗;(d)經歷充放電循環仍然具有高穩定度。

圖6 Global Graphene公司美國專利US10862129之圖式

 

  1. 電解質液態電解質

一般鋰電池芯中的電解質使用液態有機物作為溶劑,製造時將電解質注入於如圖7所示的電池結構中。電解質中的有機溶劑在充放電過程中可能與正極或負極材料接觸產生化學反應被分解,導致熱量累積甚至產生爆炸。因此,業界提出許多在液態電解質添加劑的技術,以降低液態電解質的燃燒危險程度或是形成保護膜。例如Samsung美國專利US10003102提出了一種電解質添加劑。該添加劑有助於電解質成分在電極表面形成一層保護膜(solid electrolyte interphase)。該保護膜對鋰離子具有高傳導率,並且在高溫下具有優良的溫定性,避免電解質進一步被分解產生爆炸危險。

圖7 Samsung美國專利US10003102所示之電池芯結構

 

  1. 電解質膠態電解質

如前所提,液態電解質的缺點是當電池碰撞或被刺穿時,電解質會溢流造成短路。因此,可以在電解質中加入高分子使電解質成為膠狀,避免電解質流動。例如GM之美國專利US10476105就提出了一種具有自我修復功能的凝膠型電解質複合材料。該複合材料中包含高分子聚合反應的前驅物。當膠態電解質層有裂縫時,在裂縫處會引發聚合反應,形成聚合物結構避免裂縫擴大。

 

  1. 電解質固態電解質

固態電池是近年來最熱門的鋰電池發展方向,其使用不可燃耐高溫的固態電解質取代傳統的電解液與隔離膜,並且可以大幅提高電池能量密度。固態電池目前尚未被廣泛使用在電動車中,主因是製造成本偏高。擁有固態電池最多專利數量的公司是Toyota,其次是LG Chem。Toyota無論在專利佈局數量或是布局時間都領先於其他公司。新創公司例如QuantumScape、PolyPlus、StoreDot、Sila Nanotechnologies都因為固態電池技術獲得眾多電池芯廠或車廠的投資。以近年來與SK Innovation合作的PolyPlus來說,該公司的主要技術是發展一種可以導通鋰離子的片狀導電玻璃作為固態電解質,如圖8所示。

圖8 PolyPlus美國專利US20210320328所示之捲狀鋰離子導電固態電解質薄膜

 

  1. 隔離膜、黏結劑

隔離膜為夾在正極與負極中間的多孔性薄膜,避免正負極接觸短路。對於隔離膜的技術發展主要是降低內阻避免溫度升高,以及增加熱穩定性與機械穩定性,降低破損的風險,例如FUJIFILM美國專利US20220209362。黏結劑主要作用是將正負材料黏附在集流體(Current collector)上,對於黏結劑的技術發展方向主要是使正負極材料更均勻分散、降低內阻、避免形成鋰金屬枝晶,例如Samsung SDI美國專利US10050246。

 

  1. 電極組件設計

電芯製造一般會採用多層電極堆疊或是電極捲繞的方式形成電極組件,可以增加電芯的容量與能量密地,但是也會增加內短路與局部溫度過高的風險。LG Chem美國專利US20200127246與US20200403211分別對軟包型鋰電池與圓柱形鋰電池的電池組件提出改良設計方案。以US20200127246為例,該專利強調當軟包電池因內部反應產生氣體膨脹時,電極組件結構會斷路阻止電池繼續放電導致爆炸,如圖9所示。

圖9 LG Chem美國專利US20200127246所示之軟包型鋰電池之電極組件結構

 

  1. 洩壓閥

為了避免鋰電池充放電時產生的氣體累積導致爆炸,電池芯具有洩壓閥以即時地排出氣體與熱量。以Tesla美國專利US9692025為例,該專利強調電池芯上蓋具有特定形狀的刻紋,當電池熱失控發生時,刻紋處會先破裂使電池芯快速地朝預定的方向釋放氣體跟熱量,避免整顆電池芯爆炸。

圖10 Tesla美國專利US9692025所示之具有刻紋之鋰電池電極上蓋

 

  1. 滅火機制

當電池發生熱失控時,也可以利用預先設置在電池芯內部滅火材料防止危害擴大。以LG Energy Solution之美國專利US11264661為例,該專利強調在軟包型電池中靠近電極組件的地方預先設置滅火包,如圖11所示。當電池溫度超過預設值時,滅火包會破裂釋放出滅火粉末,以避免熱失控繼續擴大。

 

圖11 LG Energy Solution美國專利US11264661之圖式

 

  1. 穿刺保護機制

當鋰電池被尖銳物體刺穿時,電池會直接起火燃燒,這也是電動車發生車禍時發生火災的主要因素。因此,若能確保鋰電池被刺穿時仍然維持穩定的狀態就可以大大提高使用鋰電池的安全性。以LG Chem美國專利US10903529為例,該專利強調在軟包型鋰電池芯的電極外側加裝一層絕緣層(insulator assembly 200),如圖12所示。該絕緣層具有可掉落部件(fell-off part 222)。當電池芯被釘子刺穿時,可掉落物件會隨釘子穿過電極層,並在電極層形成一個大於釘子直徑的通孔(through-hole 2),避免釘子與電極層接觸造成短路。

 

圖12 LG Chem美國專利US10903529之圖式

 

以上,從電池芯的角度可以有各種方法防止鋰電池熱失控,包含材料改良以及電池芯結構改良。當鋰電池作為電動車的動力來源時,需要將多顆電池芯串並聯組成電動車所需要的電壓與容量,形成電池模組。當電池數量越多時,熱失控的風險也相應地增加。因此,在設計電池模組也需要配套的措施防止熱失控,此部分的內容將在下篇文章進行介紹。

 

[1] 發明專利申請後18個月才會公開,因此2021年後申請之專利尚未完全公開。

[2] 簡單易懂!圓柱、方形和軟包鋰電池結構特點及技術特性解析。原文網址:https://kknews.cc/car/3jqbz3y.html

 

 

本文作者:

周靜(Jean Chou) 

中華民國專利師/企業評價分析師/專利師公會企業智權管理實務委員會主委/世博科技顧問股份有限公司副總經理
Email: jeanchou@wispro.com