解決鋰電池低溫無法運作的問題
■中國復旦大學化學系研究團隊利用別於傳統鋰電池的材料，讓電池在-70°C也能使用。
撰文｜方程毅
鋰電池是目前最廣泛運用於各類電子產品的電池。我們曾在＜從手機到電動車：無處不見的鋰電池＞一文中介紹鋰電池的工作原理及目前技術上需要克服的問題，在諸多性質及應用中，「工作溫度」是一不可忽略的因子。如果帶著智慧型手機到比較寒冷的國家，例如日本或加拿大，你會發現電池一下就沒電，或是才剛充滿電就不能用了，這說明了鋰電池的充放電機制在低溫時並不理想。電池失靈的原因肇因於其電荷移動的方式，鋰電池是利用鋰在電解質之中移動並且嵌入或離開陰陽極材料。
其簡單的放電反應如下：
鋰電池的好壞取決於鋰本身的移動能力及其嵌入電極的難易度，一般來說，低溫時鋰的移動力會下降，鑲嵌入電極的能力也會變差。當溫度降到攝氏-20°C，電池的效能只剩下50%；-40°C電池效能就僅剩12%。雖然-20°C、-40°C對台灣人來說不太會遇到，但對高緯度國家卻是真實會出現在生活中的，更遑論將鋰電池應用於極地或外太空這類險惡環境了。
來自中國復旦大學化學系的夏永姚教授的實驗室提出了一項解決方案。他們將電解液跟電極材料通通換成熔點很低的材料，讓電池在低溫時依舊能工作，這項研究被發表在 Joule 期刊上。
研究團隊幾乎把整個電池的材料都換掉。陰極從一般的過度金屬氧化物的鹽類，例如：鈷酸鋰、磷酸鐵鋰或氧化錳鋰換成高分子材料PTPAn (polytriphenylamine)；陽極從石墨換成PNTCDA (1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride (NTCDA)-derived polyimide)；電解液則用LiTFSI (lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide)，其可解離為(Li+及TFSI-)。
傳統的鋰電池是藉由鋰鑲嵌入陰極及陽極中，這過程可以視為溶解跟脫溶(solvation/desolvation)，想當然爾，低溫下溶解度低，鑲嵌的效率低，電池表現自然就差。因此要解決這個問題，鋰電池與電極的結合就必須透過不一樣的機制。這項研究中，陽極的PNTCDA上有碳氧雙鍵(C=O)n，當鋰出現時會將其烯醇化成為(C-O-Li)n；陰極的機制就更特殊，根本不靠鋰，而是靠電解質的陰離子TFSI-與PTPAn進行吸附與脫附反應。
總歸來說，研究團隊先將電池的組成材料換成熔點較低，能承受低溫的材料。同時也將鋰電池充放電的機制換成低溫下更有效率的方式，這個新設計讓電池在-70°C也能保有室溫效能的70%，相較於傳統鋰電池是極具突破性的研究，對將來極地或是外太空的研究或應用是一大福音。但話雖如此，新電池在室溫的的效能跟傳統鋰電池相比還差上一大截，距離實際應用還有不少的空間值得努力。
夏教授表示：「傳統的過度金屬氧化物的鹽類相比，有機物組成的電極有著量多、便宜且環保的優點。」夏教授估計其材料成本只有傳統鋰電池的三分之一。
原始論文：Xiaoli Dong, Zhaowei Guo, Ziyang Guo, Yonggang Wang, Yongyao Xia. Organic Batteries Operated at −70°C. Joule, 2018; DOI: 10.1016/j.joule.2018.01.017
參考資料：
- http://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(18)30045-X
- Cell Press. "A lithium battery that operates at -70 degrees Celsius, a record low." ScienceDaily. ScienceDaily, 28 February 2018.
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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。
