2017年4月27日

免於爆炸的威脅─ 全固態鋰離子電池

作者/廖譽凱,畢業於花蓮私立四維高級中學與國立高雄師範大學物理系,現於臺灣師範大學物理系研究所就讀。從小對數理有極大興趣,喜歡從實驗中探索、胡淑芬,臺灣師範大學物理系特聘教授。研究興趣包括半導體製程技術,奈米元件,光催化水分解、太陽能等光電應用元件以及全固態可撓式鋰離子電池、劉如熹,臺灣大學化學系特聘教授。研究專長主要為以材料化學核心技術為基礎,發展各種綠能相關材料,可用於光轉換為光、電與熱,並可分別應用於發光二極體、水分解與生醫熱療等。


(shutterstock)
數位時代來臨後,行動電話、筆記型電腦幾乎已成為現代人的必備設備,其中能使3C 產品進入大眾普及的關鍵,不只在於晶片做得好,電池的進步更是必備條件。為了能讓3C 產品使用時間延長,科學家不停思考要如何增加電池的電容量,使3C 產品更輕薄,即是將電池體積縮小,讓手機與筆記型電腦越來越輕、越來越薄。但在人類享受科技進步同時,卻發生了難以置信的噩耗。

2016 年,南韓三星公司發行的Samsung Galaxy Note 7 發生多起爆炸事件,造成全球使用者恐慌,三星公司承認爆炸的主要原因即是因為電池設計不佳。這不禁讓大眾思考,為何每天都會使用的電池會爆炸,這樣使用手機安全嗎?科學家希望能解決安全問題,但鋰離子電池總是還有安全方面的疑慮,於是科學家提出了「固態鋰離子電池」的想法。

圖一:電池運作原理。
電池是什麼?
電池的結構為正極、電解液與負極,圖一中橘色的電極為正極(陰極),紫色的電極為負極(陽極),其中電池定義陰陽極時以放電為準。電池在放電時,陽離子由負極(陽極)經由電解液往正極(陰極)移動,電子也由負極(陽極)經由外部電路往正極(陰極)移動。以電路來說,燈泡代表電阻,電池代表電容,如果電路中沒有電阻,就會造成短路。電池內部也有電阻稱為內電阻,電池內電阻的大小也會影響電池的效率。

圖二:伽伐尼與蛙腿實驗。(Wikipedia)
電池的起源最早可以追朔到1780 年,由義大利的科學家伽伐尼(Luigi Aloisio Galvani)發現,他利用黃銅棒連接放置於鐵架上的蛙腿,使得蛙腿收縮,這為歷史上第一個具備電池組成要件的實驗紀錄:黃銅為正極(陰極),鐵棒為負極(陽極),蛙腿為電解質(液)。1800 年,義大利的伏打(Alessandro Volta)根據伽伐尼的實驗記錄,交錯排列銅片、鋅片與以鹽水浸濕的布料隔絕銅片與鋅片,成功做出第一顆電池。

電池發展至今分為一次電池與二次電池,一次電池組裝完成時即為充滿電的狀態,其使用後不能充電而必須丟棄。直到大家耳熟能詳的碳鋅電池被發明出後,一次電池才被大量使用。相較於一次電池,二次電池可以重複充放電,並有良好的充電可逆性,二次電池有非常多的種類,而最常使用的二次電池為鉛酸電池與鋰離子電池。鉛酸電池多用於交通工具,因鉛酸電池操作溫度廣、廉價並具備高循環壽命,但缺點為鉛具有毒性。鋰離子電池則替二次電池帶來跨世代的進步,鋰離子電池擁有高能量與功率密度、極為優秀的循環壽命與操作溫度廣的優點。目前鋰離子電池主宰所有儲能市場,平常使用的智慧型手機、手提電腦等產品大多數利用鋰離子電池為儲能設備。
......【更多內容請閱讀科學月刊第569期】

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