說說奈米鋰電池二次電池

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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。

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。