說說奈米鋰電池二次電池

資料來源
科學研習月刊46-7
文/李曉潔 中央大學化學系學士生

隨著電子工業與資訊產業的發展,各項電子產品均朝向重量輕、體積小、方便攘帶的方向邁進。最常見的如手機、筆記型電腦、MP3、數位相機等等,均講究型小輕巧。為了隨時隨地提供這些電子產品的電力,電池與現代生活已形成密不可分的關係,成為一種使用相當普遍的能源。

一、電池的種類
電池依其運作原理可分為物理電池和化學電池。其中化學電池又可分為原電池(一次電池)和蓄電池(二次電池),如圖一所示。原電池使用後不能充電而必須丟棄,常見的如錳乾電池、鹼性乾電池、水銀電池及不可充電的鋰電池等等(圖二)。蓄電池則使用後可充電而重複多次使用,常見的如鉛蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池及可充電的鋰電池等等(圖三)。
圖一 電池的分類
圖一 電池的分類
圖二 原電池僅可做一次放電使用,其化學反應為不可逆反應。
圖二 原電池僅可做一次放電使用,其化學反應為不可逆反應。
圖三 蓄電池可重複多次充放電使用,其化學反應為可逆反應。
圖三 蓄電池可重複多次充放電使用,其化學反應為可逆反應。

二、鋰離子電池的應用領域
因二次電池可重複多次充放電使用,現今已成為可攜帶式電子產品的主要供電來源。其中鋰金屬的原子量小,重量輕,無記憶效應且具有最大的工作電壓及高能量密度。以鋰作為電極可提供較高運作電壓及較高電量,但直接使用鋰金屬有安全上的顧慮,故多改用鋰離子來傳遞電量。目前於手機、筆記型電腦、隨身聽、錄放影機、電動工具及電動車輛等日常生活用品中均廣泛應用鋰離子電池。

三、鋰離子電池的陰陽極與充放電原理
鋰離子二次電池的陰極(正極)使用鋰離子金屬氧化物(如 LiCoO2 或LiMnO2等)為材料,陽極(負極)則採用碳材料(如石墨),而電解液則為鋰鹽有機溶劑 • 充電時,電子由充電器外接經過陽極的碳材料,同時鋰離子離開陰極經電解液進入陽極(圖四)。放電則遵循相反路徑,電子白陽極離開經電器提供電力回歸至陰極,而鋰離了離開陽極經電解液進入陰極(圖五)。 如此反覆進行充放電,可提供數伏特電壓供電路使用。一般常見的鋰離子電池呵提供3.6伏特電壓,為目前常用的化學電池中可提供較高電壓之一種。
圖四 充電程序的卡通示意圖
圖四 充電程序的卡通示意圖。
圖五 放電程序的卡通示意圖
圖五 放電程序的卡通示意圖。

四、奈米鋰離子二次電池
雖然鋰離子二次電池已被廣泛的使用於日常生活中,但其仍存在充放電容量太小且速度太慢的問題。常用的手機電池其電量嫌少,使用數天就必須再充電,因此在出遠門時常需帶著充電器,但卻非隨時隨地有充電電源可以使用,常有急需使用手機或在等待重要電話時因電量不足而造成困擾。另外,鋰離子電池無法快速的充電,一般至少需充電數小時才能使電容量飽滿,無法及時提供大量的電力。 傳統的鋰離子二次電池陽極受限於石墨的結構,無法提供足夠的間隙和空間讓鋰離子進入,這是充放電容量不易增加的主因(圖六)。奈米鋰離子二次電池則採用奈米碳管取代石墨為陽極材料,提供鋰離子更大的空間進入陽極,因而使充放電容量大幅提升,不需時常充電延長使用待機時間。
另外當鋰離子在進入和遷出陰極時,傳統的鋰離子二次電池均是在固體材料中進行,但一般物質在固體的擴散能力很小,所需時間較長,造成充放電速度較慢。奈米鋰離子二次電池將固體材料粒徑縮小至奈米級,鋰離子容易自陰極遷出經電解液到達陽極,可大幅縮短充放電時間(圖七)。
圖六 傳統的鋰離子二次電池以石墨為陰極材料, 鋰離子不易進出,無法快速充放電。
圖六
傳統的鋰離子二次電池以石墨為陰極材料,
鋰離子不易進出,無法快速充放電。
圖七 以奈米碳管為陰極材料,讓鋰離子易於進出,可大幅縮短充放電時間。
圖七
以奈米碳管為陰極材料,讓鋰離子易於進出,
可大幅縮短充放電時間。

五、未來展望
奈米材料的應用增加了充放電容量及縮短充放電時間,降低了我們使用上的不便利,加上能源短缺的迫切需求,可重複使用且污染性低的奈米鋰離子二次電池,將扮演未來可攜帶式能源的重要角色。