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鋰電池的續航力要怎樣才可以加倍呢﹖
現代人離不開電﹐除了人人家中都有的電器外﹐和一般人最貼近的電﹐就是手機電池了吧！在這個手機沒電就可能變失蹤人口的時代﹐手機的續航力愈顯得重要。什麼是續航力﹖簡單說就是電池的蓄電量。人人都希望手機續航力越來越強﹐最好充一次電便可用一週﹐但是﹐電池不能變大變重。這… …可能嗎﹖還是強「電池」所難﹖可能﹐只要我們能提升電池的能量密度。只要我們能提升電池的能量密度﹐我們就能增加手機的續航力。能量密度分兩種﹕體積能量密度(Wh/L)和重量能量密度(Wh/kg)。前者是單位體積所具有的能量﹐後者是單位重量所具有的能量。不論哪一種能量密度﹐只要密度提高﹐都能夠提升電池的能量。
手機所用的鋰電池的結構與一般電池相同﹐包含正極﹑負極以及電解液(如上圖)。正極是由三維的晶體結構所組成﹐負極則是由平面的層狀結構所組成﹐兩者都具備儲存鋰離子的化學環境。電解液負責攜帶鋰離子在兩極間移動來導通內電路﹐讓鋰離子在正負極間嵌入／釋出來充放電。
鋰電池的材料組成則是﹕
1.正極﹕金屬氧化物(LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiFePO4, LiNixCoyMnzO2)。
2.負極﹕石墨。
3.電解液﹕環狀／鏈狀酯類之混和物(鏈狀碳酸酯類﹑環狀碳酸酯類)以及鋰鹽類。
自1990年Sony所開發之鋰電池問世以來﹐鋰電池製程不斷精進﹐能量密度從剛開始的190Wh/L上升到今日的650Wh/L﹐幾乎成長了三倍﹐不過現在卻遇到了電池技術發展瓶頸﹐遲遲無法繼續提升密度。
然而﹐即便現在能提升量密度﹐跟著提高的危險性也不容忽視﹐尤其鋰電池一直擺脫不了燃燒爆炸的疑慮﹐像是兩年前的三星手機自然風波﹐到現在仍讓人記憶深刻。而且不只手機﹐鋰電池也曾讓走在科技尖端的Tesla電動車起火燒毀﹐因此電池續航力提升的同時﹐也要確定電池安全無虞﹐否則光想著伴隨數倍能量而來的數倍爆炸威力﹐就讓人退避三舍。想做出新世代電池﹐必須同時改造電池的正極﹑負極﹑電解質材料才行。
高能量鋰電池由於內部儲存的能量更多﹐短路瞬間可釋放出之能量也愈多﹐更像一顆炸彈﹐所以爆炸的風險一定有。隨著能量加倍﹐爆炸風險當然升高。攜帶著高能量電池出門就好像攜帶著一顆炸彈一樣。雖然鋰電池本身具有潛在的危險性﹐但只要我們了解爆炸(專有名詞為熱失控Thermal runaway)的原因就能夠管控風險﹐將熱失控的可能性降到最低甚至不會發生。
熱失控(thermal runaway)所指的情況是﹐當溫度增高時引發的變化使溫度更進一步的增高﹐產生惡性循環﹐因而導致某一種破壞性的結果。
電池內部有複雜的化學反應﹐熱失控就是電芯短路而造成的連鎖反應。鋰電池在過充﹑過放的時候﹐可能因為隔絕正極與負極之隔膜被擊穿﹐開始內部微短路﹐接著造成局部加熱﹑溫度升高﹐然後受熱的電解液分解產生有機可燃性氣體﹔受熱的正極釋放出氧氣(正極是金屬氧化物﹐晶體結構改變導致部分氧原子以氧氣的狀態釋放出)﹐結果電池內便具備了燃燒的三要素﹕熱源﹑燃料﹑氧氣。只要溫度持續急遽上升﹐就會到達失控邊緣而快速燃燒﹐進而爆炸。而且爆炸的瞬間溫度可達到攝氏700℃左右。
熱失控的主要成因﹐為電池內部電解液的化學組成本來就含有機可燃性。若要改善安全性﹐則必須替現行的電解液找到取代方案。從前述的熱失控發生過程我們可以知道﹐熱失控的關鍵原因就是電解液分解後的有機可燃性﹐所以想一面提高蓄電量一面降低燃燒風險﹐就必須減少﹔甚至去除內部的可燃物質﹐電解液的碳酸酯類(鏈狀/環狀碳酸酯類)。
電解液要幫助離子在正負極間快速移動﹐因此會使用一般認知中傳導速率最快的液體電解質製作﹐我們要找到能夠替換﹑不會燃燒的材料來取代電解液﹐不會燃燒的固體的無機物如果又能夠傳導離子將是最好的選擇。相關研究顯示﹐確實存在具有高離子傳導速率的固體電解質﹐而這類電解質的傳導速率甚至不會輸給液體﹐這類的晶體稱為高速離子導體(Fast ion conductor)﹐其內部存在著特定管道讓離子能夠在內部快速移動而達成離子導通。
如果能替換電解液的材料﹐同時將電池的正極以及負極的材料替換成具有更高電量的材料﹐整個電池在設計上厚度就能夠降低。相對而言在更小的體積內儲存了更多的能量。由計算結果﹐顯示這樣的設計之下電池的電容量可以由目前的650Wh/L上升到>...<div class='locked'><em>瀏覽完整內容，請先 <a href='member.php?mod=register'>註冊</a> 或 <a href='javascript:;' onclick="lsSubmit()">登入會員</a></em></div><div></div>
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