【材料應用】從手機到電動車:無處不見的鋰電池

■最近經常佔據新聞版面的Tesla電動車似乎前景無量,其中一個電動車能否順利發展的關鍵便是提供能量的鋰電池,究竟影響鋰電池效能的因素有哪些呢?

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鋰電池在各領域的運用。 SOC: State of Charge, 電量狀態(充電程度,剩餘電量)(100% = empty; 0% = full)。 DOD: Depth of Discharge, 電量狀態的反義詞 (100% = empty; 0% = full)

撰文|方程毅

自從1800伏打電池被發明後,電能幾乎改變了整個世界的運行。各式各樣的電池被應用在不同的領域,隨著電池科技不斷的進步,人類生活方式也產生巨大的變化。而1991年索尼(SONY)成功開發出能實際用於消費性電子產品的商用鋰電池(Lithium-ion battery)後,更是掀起了行動裝置的革命。不僅消費性電子產品(例如手機或筆記型電腦)對鋰電池的需求量極大,近來時常佔據汽車工業版面的電動車巨擘,特斯拉(Tesla)也積極投入鋰電池的研究,希望有朝一日能取代石化燃料,讓汽車不用再去加油站加油,而是像小時候玩四驅車一般,把電池充飽電再上路。

鋰電池,事實上應該被叫做鋰離子電池,是利用鋰原子來進行電荷的傳遞,因為鋰是活性相當大的金屬,原則上不會以原子方式存在。鋰電池跟一般電池一樣由三個部分組成:陰極(Anode)、陽極(Cathode)跟電解質(Electrolyte)。因為鋰離子半徑非常的小,因此可以嵌入(Intercalate)在電極材料中,放電前,鋰離子一開始會待在陽極中,放電時,帶正電的鋰離子離開陽極進入電解質,同時為了保持陽極的電中性,也會同時釋放一個電子到外電路,當電子經由外電路到達陰極時,便會有另一個已經在電解質中的鋰離子嵌入陰極材料,保持陰極電中性,如此一來便完成放電的迴圈。

假設陽極為石墨(graphite)、陰極為鈷酸鋰( \ LiCoO_{2} ),其放電反應式如下:

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可想而知,整個鋰電池工作時最關鍵的就是鋰離子如何”嵌入”進陰陽極材料中。鋰離子在陰陽極材料的數量及移動能力是鋰電池表現的關鍵。一般來說陽極主要是石墨,石墨本身可以導電,且因為層狀結構,層與層之間便可以容納鋰離子,反應中碳原子數量為6是因為每六個碳原子所形成的空間才能容納一個鋰原子。而陰極材料有較多種選擇,通常是過渡金屬氧化物的鹽類,例如:鈷酸鋰( \ LiCoO_{2} )、磷酸鐵鋰( \ LiFePO_{4} )或氧化錳鋰( \ Li_{2} Mn_{2} O_{4} ),這些材料也是具有層狀結構能讓鋰離子進入及離開。

鋰電池最主要的優點為能量密度高(Energy density),衡量能量密度有兩種指標:單位重量的能量密度(W*hr/kg, J/kg)或是單位體積的能量密度( \ W*hr/cm^{3} , \ J/ cm^{3} ),能量密度高有什麼好處呢?想想你的手機,你是否希望手機的電池能撐越久越好,手機電池撐得久就代表電池裡面蘊含的能量較多;你是否也希望電池越輕越好,因此單位重量蘊含的能量高就代表你可以擁有續航力佳重量又輕的電池,而單位體積的能量密度越高也就代表你的電池體積可以做得更小。因此單位重量以及單位體積的能量密度高便是鋰電池最大的優點。

然而,鋰電池也還有許多問題必須要克服。其中一項挑戰就是電極材料及電解質的選擇。以電極材料來說,傳統的塊材(bulk)能容納的鋰離子有限,且鋰離子在材料中的移動率(mobility)也不夠好。奈米材料,便是一個解決方案,由於奈米材料的比表面積(specific surface area)較大,而鋰離子必定是要從表面嵌入,因此兩個相同體積的電極,表面積較高者鋰離子的能嵌入的機率更高。奈米材料的另一個優點是,當鋰離子嵌入進電極之後,需要移動(或擴散)的範圍較小。試想如果是一大塊電極,當鋰離子嵌入後不可能全部都擠在表面,鋰離子勢必要往材料內部移動,後面的鋰離子才能再嵌入,因此鋰離子越容易在電極材料裡面移動或是需要移動的距離越短,這顆鋰電池就會有更好的表現,因此奈米結構有較多的表面積可以讓鋰離子嵌入,當然也就減少了鋰離子需要在材料內部移動的需求。而現今有許多研究團隊就在針對各式不同的奈米材料進行研究,矽奈米線(Si nanowires)、奈米碳管(carbon nanotubes)、石墨烯(graphene)及二氧化鈦奈米管(titania nanotubes)都是下個世代的鋰電池陽極材料的候選人;而陰極材料,也有鈷酸鋰奈米纖維(LiCoO_{2} nanofibers)、奈米狀的氧化錳鋰及磷酸鐵鋰。

至於電解質,由於傳統的液態電解質會有漏液或是爆炸的危險性,因此近來的趨勢是採用固態電解質,波音787飛機在2006年曾經在亞利桑那州就鋰電池的負載進行測試,結果引發爆炸並燒毀其中一間實驗室,因此航空業對於鋰電池控管相當嚴格,這也是為什麼裝有鋰電池的手機或筆記型電腦不能隨意空運或放進托運行李裡,因為這些地方的溫度及壓力並不一定控制在平常使用環境下。採用熱穩定性高的固態電解質,同時保有其高能量密度便是當前的一大挑戰。韓國蔚山科技大學Sang-Young Lee 教授率領的研究團隊便針對N-PCPEs(plastic crystal polymer electrolytes),一種由塑性晶體與鋰離子鹽類組成的固態電解質進行研究,N-PCPEs有絕佳的導電率及熱穩定性,更特別的是塑膠具有可饒曲性(mechanical flexibility),因此可以用於可饒曲式鋰電池,而不是我們傳統想像中一顆硬梆梆的電池,相當有機會在將來取代液態的電解質,這項研究被發表在2014《Advanced Functional Materials》期刊上。

一顆電池除了蓄電量大、能量密度高及安全之外,更重要的是否能在多次充放電之後還能保有好的性質,否則如果表現再好的電池在使用不久後就必須更換,也不會什麼人想要使用。而電池是否能持久關鍵依舊在電極,因為電池本身是就是一個電化學反應槽,每一次的充放電都是一次化學反應,電極材料或電解質難免會參與反應,性質或結構會逐漸改變,最後便喪失了一開始原有的優良性質。中國工程物理研究院聶福德博士的研究團隊研發出利用二氧化鈦(TiO2)奈米粒子及碳纖維組成的多孔性複合材料 \ CNT@TiO_{2}-C 。二氧化鈦本身是一種穩定、無毒且便宜的材料,奈米粒子的好處已經在前段提過,能減少鋰離子遷移的距離。而奈米碳管本身是導電性絕佳的材料,當兩者結合之後便能形成能量密度高、導電性佳又穩定的電極了。 \ CNT@TiO_{2}-C 在攝氏50度的環境下充放電超過2000次還能保有較高的能量密度,這項研究發表在2014《Scientific Reports》上。另一項技術則是由天津大學材料學院李家俊教授率領的團隊研發,將氧化鐵奈米粒子鑲嵌在多孔狀石墨奈米薄片上( \ Fe_{3} O_{4}@C@PGC )作為陽極,經過350次的充放電後,蓄電量只有3.47%的損失,這項研究成果被發表在2014《ACS Nano》期刊上。

鋰電池技術日新月異,市場也越做越大,估計到2018年市場產值將高達242億美金。現今鋰電池市場上最熱門的話題莫過於電動車,鋰電池佔一台電動車的製造成本高達65%,這也是為什麼Tesla的價格始終居高不下,因此要跟傳統靠汽油驅動的汽車競爭,鋰電池的能量密度起碼要提升一倍以上。且鋰電池的安全性仍然有疑慮,不像手機或筆記型電腦,鋰電池幾乎不會在高溫下工作,但電動車就不是這麼回事了,而且一但裝載在電動車上的鋰電池漏液或爆炸後果都不堪設想,如何提升安全性及穩定性也是鋰電池發展的一大關鍵。除了安全性之外,目前鋰電池最需要被解決的問題便是電極材料,本文中不斷提及電極材料的重要性,各種複合材料、奈米材料無一不是希望能讓鋰電池有更高的能量密度、更穩定且更持久,一旦這些問題能夠改善,下一個能源革命或許就在眼前。

參考資料:
1. Walter Van Schalkwijk, “Advances in Lithium- Ion Batteries”, Springer (2002), ISBN 0-306-47356-9
2. K-Ho Choi, S-Ju Cho, S-H Kim, et al., Adv. Funct. Mater., 24 (2014) 44-52
3.  http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=36096.php
4. http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=37201.php
5. B. Wang, H. Xin, X. Li, et al., Scientific Reports, 4:3729 (2014) 1-7.
6. C. He, S. Wu, N. Zhao et al., ACS Nano, 7 (2013) 4459-4469.

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

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