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目前穿戴式電子與物聯網產品蓬勃發展,對此類裝置電池規格的要求很高,不僅要小、輕、薄、儲存強大能量,最重要的是確保使用安全。然而傳統的鋰電池在微小化有相當困難度,而液態有機電解質對環境及人體都具毒性,長時間的使用易產生漏液現象,甚至造成燃燒或爆炸,大大危害安全。核能研究所研發的「全固態薄膜鋰電池」可說是新型鋰電池的重大突破,主要優勢在 :(1) 全部由「固態」材料組成,包括正極,負極和電解質;(2) 運用電漿技術控制電池薄膜厚度僅數微米(µm),更容易微小化及與半導體製程結合;(3) 單位能量密度遠大於傳統電池,並擁有長充放電循環壽命;(4) 經由固態薄膜的層層堆疊組成,不會在短路時或長時間使用後發生漏液,造成燃燒或爆炸。全固態薄膜鋰電池對於未來物聯網產品的開發設計助益極大。

圖一、穿戴式與物聯網裝置中的電池需求

圖一、穿戴式與物聯網裝置中的電池需求

本所開發之可撓式全固態薄膜鋰電池,為國內首度運用物理氣相沉積與蒸鍍的方式,利用可撓式基材製作之全固態薄膜鋰電池。以射頻磁控濺鍍法控制鋰電池中正極薄膜與電解質薄膜結晶取向,再以蒸鍍法沉積負極薄膜,層層堆疊,並於最外層以不銹鋼熱封技術確保元件不受水氣與氧氣侵入,最終形成全固態薄膜鋰電池元件(SS/LiCoO2/Lipon/Li)。整體電池及不銹鋼封裝層厚度小於 300 微米。右圖為可撓式全固態薄膜鋰電池連接白光 LED 使其發光之實景照片,證實所開發全固態薄膜鋰電池可驅動LED 發光二極體,即使在彎曲的情況下亦不致發生短路。

圖二、全固態薄膜鋰電池元件

圖二、全固態薄膜鋰電池元件

本所開發全固態薄膜鋰電池元件已申請相關專利8件(1件取得中華民國專利發明第I485905號,7件申請中),並進行專利佈局。研發成果在國際會議發表,如2014年能源與環境電化學大會(Electrochemical Conference on Energy & the Environment, ECEE 2014)、2016年國際電池研討會(International Battery Association 2016)等。並於2015年台北國際發明暨技術交易展中獲得發明金牌獎殊榮。

圖三、全固態薄膜鋰電池於2015年台北國際發明暨技術交易展中獲得發明金牌獎

圖三、全固態薄膜鋰電池於2015年台北國際發明暨技術交易展中獲得發明金牌獎

所研製之全固態薄膜鋰電池元件放電電容量為570 µAh。相較於國外廠商與研究單位的薄膜鋰電池,擁有較高的單位體積放電電容量(discharge volumetric capacity)。換算為單位體積能量密度為1,790 Wh/L,為一般鋰電池的3倍以上(一般鋰電池的能量密度200~400 Wh/L)。足以說明所研發的全固態薄膜鋰電池元件具有競爭潛力。

圖四、INER可撓式全固態薄膜鋰電池元件比較的整理表[本研究整理]

圖四、INER可撓式全固態薄膜鋰電池元件比較的整理表[本研究整理]

全固態薄膜鋰電池具備高能量密度、循環壽命佳、高安全、高可靠度的優點,是次世代的電化學儲能元件,以非可燃性固體電解質取代傳統液態電解質,實現新型高安全性的鋰二次電池。未來將持續提升其能量密度達2000 Wh/L以上,並打造全台第一座連續式全固態薄膜鋰電池製程設備。未來將結合太陽能電池、感測器與無線網路發展出無線微型永續能源微系統,可以預期此系統將是物聯網時代的重要裝置之一。

圖五、無線微型永續能源微系統示意圖

圖五、無線微型永續能源微系統示意圖