☰

鈷在鋰電池正極材料之技術創新與替代材料

圖片來源 : shutterstock、達志影像

※如欲轉載本文，請與北美智權報聯絡

芮嘉瑋╱財團法人中技社科技暨工程研究中心主任

中國目前正在實施戰略資源出口管制，除了已實施出口限制的石墨之外，鈷（Co）也是一種關鍵礦物，它在許多領域中都有重要的應用，例如在電動車電池的製造中，其重要性可以與原油對汽車的重要性相提並論。

目前的鋰離子電池都含有鈷金屬，穩定性與能量密度表現都相當不錯，然而它也是種昂貴且會帶來龐大環境和社會成本的稀有金屬。由於鈷金屬礦牀都位於政治相對不穩定的國家，鈷提取也伴惡劣工作環境、有毒廢棄物。鈷的出口確實存在一定的風險，爲避免關鍵礦物都集中在少數幾個國家手上，過去科學家們也不斷尋找鈷之替代材料，特別是用於鋰電池正極材料之替代技術。

無鈷正極材料之替代技術

鈷是鋰離子電池中常見的正極材料之一。具體來說，鈷酸鋰（LiCoO₂）是最早被商業化應用的鋰電池正極材料之一，它具有高能量密度和良好的循環壽命，但價格較高且資源供應有限。除了鈷酸鋰，鋰電池的正極材料還包括含有鎳（Ni）、錳（Mn）、鈷（Co）三種金屬元素之三元材料（NixMnyCozO2，簡稱NMC），NMC三元材料依據三種金屬元素的比例不同可以分爲諸如NMC111、NMC532、NMC622、NMC811等不同的型號；使用高比例鎳、減少鈷的三元材料正極電池已被廣泛應用，例如NMC811型號使用高鎳含量（鎳、錳、鈷的比例8:1:1），以提升電池能量密度並減少對鈷的需求，適合電動車等需要高性能的應用。然而，鎳的成本和供應風險也需關注。

由於鈷的供應風險和成本問題，許多研究者和公司正在開發不含鈷的電池正極替代材料，例如具有高功率密度和良好熱定性之錳酸鋰（LiMn2O4，簡稱LMO），具有高能量密度和低成本優勢[1]的鋰錳氧化物 (LiMnO2)，具有4.7V高電位[2]的尖晶石型鋰鎳錳氧化物 (LNMO)，由約75%的鎳以及約25%的錳所組成而具成本優勢的鎳錳酸鋰（NMx）電池[3]，以及具有高安全性和長壽命且無鈷鎳組成的磷酸鐵鋰（LiFePO4，簡稱LFP）。這些不含鈷之電池正極替代材料的開發有助於減少對鈷的依賴，並推動鋰電池技術的進一步發展。圖1顯示近年國際間正在研究鈷含量遞減、甚至不含鈷的電池正極替代材料的開發（圖中綠色字體爲無鈷電池正極材料）。

圖1. 鈷含量遞減及無鈷電池正極材料開發趨勢；圖片來源：2024/10/30「Mission Hydrogen線上論壇」，Prof. Dr. Maximilian Fichtner簡報資料

錳酸鋰

層狀錳酸鋰材料是一種富鋰、富錳、低鎳、無鈷材料，成本低廉，在高電壓下具有可觀的可逆容量，充電至4.8V，可大於250mAh/g，能量密度高於其他所有正極材料，高溫性能優異，能量密度高，適合於各類鋰離子電池。中國專利CN 101964428B公開了一種層狀錳酸鋰電池的製作方法，包括以下步驟：製作正極漿料，製作負極漿料，塗布，烘烤，裁切，壓制，製成電池單體。現有技術相比，該專利採用層狀錳酸鋰爲正極活性材料製作單體電池，降低鋰離子電池的成本，改善鋰離子電池的高溫性能，同時提高電池的能量密度。

鋰錳氧化物

中國專利CN 117613221A發明公開了一種表面高效改性的層狀富鋰錳氧化物正極材料，包括層狀富鋰錳氧化物基材、均勻包覆於所述層狀富鋰錳氧化物基材表面的尖晶石異質結構相，以及均勻包覆於所述尖晶石異質結構相表面的包覆層。本發明公開的材料具有高的電子電導率和離子電導率。在電池的充放電迴圈過程中，氧氣的釋放小和過渡金屬在電解液中的溶解少，材料在迴圈過程中保持高的晶體結構穩定性；以其製備的正極片組裝得到的鋰離子電池具有高的首次庫倫效率和優異的迴圈性能和倍率性能，迴圈過程中電壓的保持率高。

日本橫濱國立大學與名古屋工業大學、島根大學共同開發一種採用具有受控奈米結構的鋰錳氧化物正極材料（LiMnO2）。研究中，橫濱國立大學發現新材料具有複合之域結構（Domain Structure），材料合成使用了一般可商業規模大量生產之固相燒結法，能以低成本進行大量合成，製作出具有優異電極性能的材料；名古屋工業大學亦就影響新材料相變行爲的因素進行了理論分析；島根大學則對於具有直方晶與單斜晶之複合域結構的新材料進行了特徵性的奈米結構分析。由於錳的蘊藏量豐富，使用成本低廉，達到與既有鎳類層狀材料同等水準，使該電池正極新材料具有高能量密度（800Wh/kg）且材料組成含錳但不含鈷、鎳，有助於降低成本並減少鈷、鎳等關鍵礦物的供應風險，加上新材料亦具有優異的急速充電特性，約10分鐘即可充電至80%左右的電量，未來有望實現高能量密度之鋰離子電池的商業化[4]。

尖晶石型鋰鎳錳氧化物

日本東芝開發了一項採用無鈷5V級高電位正極之新型鋰離子電池（圖2）。透過對正極的粒子表面進行改質，成功地減少了金屬溶出，大幅抑制副反應產生的氣體。新鋰離子電池中使用的正極材料爲尖晶石型鋰鎳錳氧化物，由於不含存有資源問題的鈷，且具有4.7V的高電位，因此做爲兼具資源保全與性能之材料而受到關注。然而由於LNMO的高作動電位，電解液形成氧化分解而氣化，導致電池嚴重膨脹、電池壽命縮短等問題。因此東芝着手解明氣體產生的機制，發現電解液在高電位正極表面分解併產生氣體，以及正極材料中所含的金屬溶出，溶出的金屬促進了負極表面上的氣體產生等現象。基於這些研究成果，東芝透過對正極粒子表面進行改質，成功地減少了金屬溶出，且成功地開發了可將負極表面溶出之金屬予以無害化的技術。以此新正極與鈮鈦氧化物（NTO）負極試作出的鋰離子電池已確認具有3V以上的高電壓與5分鐘內達到80%的快速充電性能。東芝預計在2028年於電動工具、產業機器等用途達到實用化，且計劃擴大適用於車載用途[5]。

圖2. 東芝採用無鈷5V級高電位正極開發新型鋰離子電池結構；圖片來源：Toshiba

磷酸鐵鋰

中國專利CN 116443840B屬於活性材料電極製備技術領域，涉及一種磷酸鐵鋰正極材料及其製備方法。針對現有技術中磷酸鐵鋰正極材料在製備過程中，由於粒徑大小不均一，壓實度不高，限制電池容量，導致能量密度不佳的技術問題，該專利技術提供一種磷酸鐵鋰正極材料的製備方法，對磷酸鐵鋰材料半成品進行分級，得到細粉磷酸鐵鋰材料和粗製磷酸鐵鋰材料；對細粉磷酸鐵鋰材料進行第三次燒結，得到磷酸鐵鋰材料預製品；將磷酸鐵鋰材料預製品和粗製磷酸鐵鋰材料混合，得到所述磷酸鐵鋰正極材料，製造不同大小顆粒混摻效果，優化磷酸鐵鋰材料顆粒分佈，形成緊密磷酸鐵鋰結構，使得磷酸鐵鋰顆粒細粉少，製備得到的磷酸鐵鋰正極材料具有較高壓實密度。

有機材料

美國麻省理工成功找到新替代材料，研發新的電池正極，透過「有機材料」爲鋰離子電池開闢更永續的新道路。這新型鋰離子電池正極，以有機材料爲基底，沒有常見的鎳與鈷，因此製造成本更低，導電速率也跟含有鈷的電池相當。雖然有機材料的導電度、儲電容量和壽命也無法跟含鈷電池相媲美，不過團隊用有機小分子TAQ（雙四氨基苯醌）組成的電池正極，層層疊疊可以形成類似石墨的結構，分子內也有醌化學基團（電子庫）和胺，有助於材料形成強氫鍵，這樣一來也可以防止有機材料溶解到電池電解質中，避免電池短路，進而延長電池壽命。電極主要材料爲醌和胺前體，都是已經商業化且大量生產的商業化學品。

應對地緣政治提升臺灣產業韌性之因應

在地緣政治風險加劇的時代，開發無鈷替代材料技術對於降低臺灣產業供應鏈風險具有重要意義。技術創新方面，建議臺灣應加強對無鈷替代材料技術的研發投入，推動相關技術的商業化應用，提升產業競爭力。政策支持方面，建議政府應制定相關政策，支持無鈷替代材料技術的研發和應用，並提供資金和稅收優惠，鼓勵企業進行技術創新。多元化供應鏈方面，鼓勵國內企業尋找多元化的原材料供應來源，減少對單一國家的依賴，降低地緣政治風險。國際合作方面，積極參與國際合作，與其他國家和地區共同開發和推廣無鈷替代材料技術，分享技術成果和經驗。同時還應建立完善的風險管理機制，提前預測和應對可能的供應鏈中斷風險，確保產業穩定運行。這些措施將有助於應對地緣政治風險帶來的挑戰，並提升臺灣產業的韌性和競爭力。

備註：

責任編輯：吳碧娥

【本文僅反映專家作者意見，不代表本報及其任職單位之立場。】

中原大學財經法律研究所碩士

國立臺灣科技大學材料科學與工程研究所碩士

工研院電子與光電研究所專利副主委

光電產業智權經理

鈷在鋰電池正極材料之技術創新與替代材料

相關資訊