高值化固碳技術–重質油轉化電動車用軟碳負極材料開發

企業新創 - 環境科技與能源應用

2018-12-10

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台灣中油股份有限公司煉製研究所

中油目前成功地使用自有重質油料，經過自行研發的精煉製程，開發出長壽命非晶型軟碳材料，作為動力鋰電池中的負極材料。中油非晶型軟碳最主要的特點在於快速充放電能力、快充下長壽命的維持、高安全性及一般使用下超長的循環使用壽命等，這些特性都遠優於目前商用石墨產品。

台灣因地狹人稠，同時在充電站建置尚未普及前，電動車推廣適合由公共運輸系統導入，首推電動巴士，另外，燃油機車所造成的PM2.5細懸浮微粒問題日趨嚴重，影響國人健康甚鉅，亦希望藉由電動機車導入而獲得舒緩，故擬在政策上兩年內積極推動電動機車汰換二行程機車約100萬輛，改善台灣城市空氣品質。然推動過程，產業界面臨的問題是目前電動巴士及電動機車所用電池之缺點有：(1).充電時間過長(2小時以上)；(2).一般使用壽命過短(電動巴士小於5年；電動機車小於3年)；(3).快充下壽命更短(小於1年)等，因此，造成台灣在電動車產業之推廣不易。

中油非晶型軟碳的導入有助於解決上述產業問題，大幅提升電池特性：(1).充電時間大幅縮短(30分鐘85%以上)；(2).一般使用下(1小時充電/放電)壽命更長(大於12年)；(3).快充下(30分鐘充電/放電)壽命長(大於7年)。這樣的利基與誘因下，電動機車營運商可以提供較少備載電池，又因電池使用壽命長，相對地營運商可大幅降低的電池成本，對推廣台灣電動機車/電動巴士產業有極大助益。透過材料導入執行、驗證、回饋，逐步建立之自有技術升級與深化，亦提昇中油公司產業價值與轉型契機，軟碳開發不僅有助於產業鏈之整合，同時宣示台灣投入綠能電池科技之決心，有助於台灣在國際間之形象提昇。

評審推薦

1.利用中油重質油料開發出非晶型軟碳材料，作為鋰電池的負極，具有快速充放電能力，並能維持快充下長壽命與高安全性，具技術門檻與市場需求度。
2.與電動車市場整合之策略，將所生產的軟碳應用於電動車電池中，不僅可有效測試電池性能，亦有助於中油廢料轉化與跨入電動車市場，具有加值與節能的應用潛力。

2023年度精進成果

從分子結構觀點，在重質油反應下建構前驅結構物分子排列，發展材料碳微結構，在不同前驅結構物下，去設計軟碳負極材料電池特性，有別於介相碳微球(台灣競爭廠商)後，分子結構已形成分子量高之大分子團，難從分子結構控制，而已固化之石油焦碳(國內外競爭廠商營運模式為直接購買石油焦碳)，只能從後段製程研磨/分級、碳化處理製作軟碳所需之特性，面臨同樣問題，無法從分子結構控制微晶排列結構，造成電容量偏低，不可逆電容量過高。反觀，此創新技術除了控制碳微結構結晶型態，進一步將經過設計的前驅結構物透過後段製程之後加工技術強化其材料特性，或修正前段製程偏離或後段製程偏離的材料特性，採用三種修正偏離策略，將偏離材料分別經過修飾調控、細粉移除、圓滑化三種策略修正，如無材料偏離經過三種策略方法處理，在材料特性如容量、不可逆容量、快充能力不變狀況下，亦可大幅提升快充循環壽命。目前中油原製程條件之少晶型態軟碳(condition 1)具有優異之快充能力與使用壽命，而優化製程條件之多晶型態軟碳(condition 2)除具有少晶型態軟碳之優異特性外，兼具更短時間充電下(大電流下即為高C-rate)具更優異使用壽命與更高溫下(45℃)使用壽命之特性，多晶型態軟碳快充壽命性能提升如下所示： (一)、快充下(30分鐘)壽命：多晶型態軟碳較原軟碳材料壽命提升20%以上。 (二)、快充下(7.5~12分鐘)壽命：多晶型態軟碳較原軟碳材料壽命提50%以上。 (三)、高溫(45℃)壽命：多晶型態軟碳較原軟碳壽命提升50%以上。

公司簡介

(1) 將重質油做更有效益之開發，創造高價值之高值化
考慮到燃料重質油使用所引起之環境汙染與氣候變異，是目前各國家所關注之議題，本公司逐步開發自有技術中之重質油篩選、分析、純化、分離，藉以控制碳氫比例、芳香烴成分控制、分子量調控、軟化點，就可以開發重質油製作成不同應用層面之高品質的碳材料，可以應用於鋰離子電池人工石墨材料、鋰離子電池軟碳快充材料、超級電容碳材、鋰離子電容碳材、電容脫鹽碳材、碳纖維及相關石墨/石墨複合材料。是將煉油過程中產生的副產品(重質油料)進一步高值化，建構整個新產品開發流程，為公司創造更多利潤。同時也藉此，扭轉本公司長期背負著高污染、高耗能之產業形象。

(2) 高值化固碳技術減少環境污染，逐步邁向零廢棄、零排放之產業循環經濟願景
設計/建構重質油料轉化反應系統，發展高值化固碳技術及應用，主要將液態的重質油料，經過裂解、縮聚反應後，將重質油料轉換成固體碳材應用，實為碳材性能品質的重要關鍵技術。透過循環經濟架構概念，將產業資源做有效之利用與整合，以優質石油焦(即為中油人工石墨原料)產品為例，在重質油轉化過程中產生的焦化氣體與焦化汽柴油可以回收、再處理再利用於煉廠之製程，積極推動與建構新創材料循環產業鏈。