鋰電池防爆「金鐘罩」–STOBA材料技術
 
2011/08/03
 
楊正平 | 《科學發展》特約文字編輯
 
 
「SONY鋰電池回收事件」是2006年資訊業的大事,全球主要筆記型電腦大廠陸續宣布回收已售出的筆記型電腦用電池,僅美國一地便回收了四百多萬顆SONY公司的鋰電池。SONY也因此損失慘重,執行回收的成本達新臺幣184億元,當季虧損約新臺幣74億元。這個事件被稱為「災難」,貼切地形容了2006年全球資訊業的慘況。SONY事件的起因是鋰電池內部摻有金屬雜質而使電池「短路」爆炸起火,於是科技業面臨新挑戰—如何讓電池百分之百不爆炸?

預防電池爆炸有兩種傳統方法,一種是從電池內部著手,另一種是外部控制。內部保護方式是利用PE或PP塑膠材質做成「隔離膜」隔開正極與負極,當電池過熱時,隔離膜的細微小孔會收縮,阻擋離子進出正負極;外部控制法則用「斷電保護機制」來降低電池過熱的風險。然而SONY事件證明這兩種方法效能都不彰,業界急需新技術來保護鋰電池。

對這個棘手問題,財團法人工業技術研究院(工研院)材料與化工研究所的潘金平組長開發出「STOBA材料技術」設法解決。這個技術能有效防止鋰電池爆炸,也為他贏得了「行政院2010年傑出科技貢獻獎」的殊榮。

神奇的STOBA

「自身終止高分歧寡聚物」(self terminated oligomers with hyper branched architecture, STOBA)是一種具有高分歧結構、高規則性的「奈米級」化合物,分子量範圍在數千至數萬之間,一般稱這類高分子化合物為「寡聚物」。高分歧是指它具有複雜的樹枝狀結構,高規則性是指它的分子量分布範圍穩定,不是雜亂無章的樹枝狀結構。

讀者可以想像STOBA是一種「類球狀」物質,細看卻會發現,圓球的內部有極多的「分枝結構」,好像大樹枝一樣地向四方伸展。因此STOBA是一種充滿空隙的圓球狀樹枝結構物質。

「高分歧寡聚物」這種充滿空隙的樹枝狀球型結構,有一些有趣的化學特性,例如高溶解性、在分子空隙內可以放入其他低分子化合物或金屬奈米粒子等,還可以設計樹枝狀的「末端基」部位,引入不同的元素或分子使它具有特定的化學反應功能。

STOBA充分展現了高分歧寡聚物的特性,可以很容易地放入鋰電池內,遇熱時樹枝狀結構末端的「官能基」會互相反應,造成整個樹枝狀結構「內縮」;樹枝狀末端官能基還會跟隔壁的SOTBA分子鍵結,所有的STOBA分子便會連結成一大片的「立體網狀保護膜」。也就是說,如果把STOBA分子放在鋰電池內,當有過熱反應時,便能夠遇熱「自我反應」收縮與連結,有效阻斷離子流動,終止電化學反應,避免電池爆炸。

雖然防爆原理和傳統隔離膜保護法類似,但STOBA有「溫度越高越穩定」的特性。也因為STOBA是奈米尺寸的分子,在遇熱時所構築的綿密立體保護網,能夠完整地封閉電池內部離子流動的空間,有效解除電池爆炸的危機。

「STOBA是奈米級保護網,把可能引發鋰電池爆炸的危險因子鎖起來」潘金平組長說。

在過去,用金屬探針插入鋰電池內誘發電池內部短路後,10顆鋰電池中約有5顆會爆炸。但加入STOBA後,在同樣的測試下沒有任何爆炸發生,防爆率100%。無庸置疑,STOBA是值得驕傲的科技研發成果。

製法大突破

STOBA的「化學結構」與「製造方法」是工研院材料與化工研究所的最高機密。化學結構組成是STOBA遇熱會內縮、自我反應組成立體保護網的重要關鍵,製造方法則是另一個值得書寫的科技突破。

傳統上製作高分歧寡聚物的方法有「原子轉移自由基聚合法」(atom transfer radical polymerization, ATRP)、「可逆型加成分裂鏈轉移聚合法」(reversible addition-fragmentation chain transfer, RAFT)等,但這些製造方法的化學反應條件嚴苛,更需要一些特殊的催化劑來幫助反應。而且用這些方法製造STOBA時,研究團隊發現問題重重—產品良率小、品質不穩定,這些缺陷無法吸引電池廠商的目光。

「最大的挑戰在於控制分子量分布範圍,能夠控制分子量分布範圍才能確保STOBA品質的穩定」,潘金平組長強調。

研發團隊開始試驗各種「STOBA化學配方」的防爆功能時,也一邊尋找新方法,希望可以用簡單、價格低廉的方式生產高分歧寡聚物。終於,他們找到了能夠在溶液中製造出具有高耐熱性、分子量分布範圍穩定、分歧結構穩定、百分之百純「STOBA」的方法。

這種新式高分子寡聚物製造法與ATRP、RAFT等方法相比,有製造方法簡單、價格低廉的優勢。這個製造方法更是潘金平組長口中的「寶物」,他笑笑表示:「許多國外學者很驚訝我們有特殊新方法,都想知道是怎麼一回事。」

引爆新發現

潘金平在投入鋰電池安全性研究之前,曾開發出一種兼具「韌性」、「柔軟度」、「高耐熱」的寡聚物。因此當他進行電池安全性研究時,他猜想:「寡聚物也許可以防止電池電解液洩漏引發的爆炸。」試驗結果如他猜測,加入這種物質的電池似乎不容易爆炸,但他不知道為何如此。

為了找出原因,他與研究團隊成員把這種寡聚物分別放到正負極、隔離膜、電解液內,然後用金屬探針刺入電池內部製造「短路」,引起發熱反應後記錄整個爆炸反應時間。

「我們曾經意外燒毀一個實驗室」潘金平組長不好意思地說,「還好那只是一個改裝過的貨櫃實驗區」,由此可見鋰電池安全性研究的危險與辛苦。

探針測試實驗過程漫長,充滿挫折,直到他們意外觀察到「爆炸遲延」現象才有了突破。進一步分析發現,寡聚物剛好附著在一遇到高溫就會釋放出氧氣的正極材料上,似乎能減緩氧氣外洩速度,延遲引爆。

這個發現讓他們知道走對了方向,「修改寡聚物結構也許可以完全阻擋氧氣外洩!」研究團隊成員興奮地猜測著。順著這個思路重新設計寡聚物,潘金平與研發團隊終於順利開發出STOBA。

臺灣製造 安全保證

STOBA是鋰電池產業關鍵性的技術突破,已榮獲第47屆全球百大科技研發獎(R&D 100 Award)的肯定。工研院也已經把STOBA相關的專利技術授權給國內6家鋰電池廠,成功整合鋰電池上中下游產業,總投資金額約40億臺幣,預估未來創造的產值將以每年數百億計算。除鋰電池產業外,STOBA技術也會帶動國內3C、電動機車、汽車產業發展,引發的周邊效益更是值得期待。

雖然STOBA有極佳的預期經濟效益,但對潘金平而言,STOBA材料技術最重大的意義在於提升「臺灣競爭力」。STOBA技術使臺灣能夠以「差異化優勢」與先進國家競爭,扭轉以往從國外輸入核心技術的劣勢,進一步樹立「臺灣製造,安全保證」的鋰電池品牌形象。

「只有跟別人不一樣,臺灣才能跟世界競爭!」,「但我們還要繼續往前走,探索更多的STOBA應用可能性。」潘金平認真地說著。

曾有人請潘金平用一句話形容自己,他回答:「認真、投入,連星期天都想來上班做研究。」再問他對「研究」有何體會,他說:「從意外中發現機會,從失敗中發現成功的可能性。」

也許就是因為認真、投入與不放棄的精神讓潘金平找到了STOBA,相信這些特質將帶領他與研發團隊伙伴,在未來創造出更多、更棒的「臺灣新技術」。

【行政院2010年傑出科技貢獻獎得獎人專訪】
 
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