譯自：ＭＯＮＯＩＳＴ
就是現在才更需要認識的電池相關的各種知識與展望
文：川邊裕
作者簡介：
任職於日本Carlit公司生產本部群馬工廠電池試驗所，從事電池充放電委託試驗。希望透過委託評價對於電池產業有所貢獻，而每日努力堅守崗位。
［前言］
從事電池特性評價試驗工作的筆者，常常感受到一般世人對電池不太了解的地方，因此希望透過此系列文介紹電池，望周之。在日常生活中不管是誰都會用到的電池，就是因為和我們很親近，所以更應該認識它。
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（０１）為何鋰（離子）電池會膨脹？何謂讓電解液劣化的「過充電」與「過放電」？
借問一下，大家聽到「電池」這個名詞時，通常心中會浮現甚麼想法？
在電池的遙控器與小朋友的玩具中使用的「乾電池」、在體溫計中用到的「鈕扣電池」、安裝在汽車中的「鉛蓄電池」、還有手上就有的智慧型手機或筆記型電腦中必要的「鋰離子電池」，甚至近來到處都能看到的「太陽能面板（太陽能電池）」都可以廣義地解釋成是一種電池。可以說電池這種東西是在我們現在生活中甚麼場合都會用到的一種產品與技術。
此外，在所謂的ＳＤＧｓ（永續可開發目標群）的計畫中，日本首相在演說中宣告了「目標是２０５０年達成排放溫室效果氣體量實質為零的無碳排放社會」的指標，因此汽車的發展也開始轉移到電動車（ＥＶ）上、再生能源或儲能技術的活用等等，都讓整個社會對電池技術的關心持續提升。
而筆者隸屬的日本Carlit公司、在群馬縣澀川市擁有「電池試驗所」、「危險性評價試驗所」，可以針對客戶提供的電池進行特性評價試驗。在「電池試驗所」中是使用充放電設備來實施電池容量或壽命的特性評價實驗，而「危險性評價試驗所」則是利用可以對應起火、爆炸等可以預想的危險條件的設備來進行安全性的評價試驗。
此外，因為機緣筆者也在富士電視台的綜藝節目「超逆境機智搶答賽！！９９人之壁（超逆境クイズバトル！！99人の壁）」中回答「電池」類問題而能夠登上螢幕。就在演出這個節目之際，針對電池的知識重新調查研究，才發現在一般人之間流傳的電池知識、特別是網路上能查到的資訊都未必是正確的。因此，在這個連載專欄中，以參與電池業界委託評價試驗者的身分，將筆者覺得社會上一般不太清楚的電池知識，推廣給大家知道，算是略盡微薄之力。
首先是從這個連載第一篇開始、預計花數篇來介紹介紹關於日常生活中不可或缺的「鋰電（鋰離子電池）」的安全性知識。
放置不玩的ＰＳＰ電池會漸漸膨脹
不知道大家知不知道，２０２０年７月下旬起，社群網路上出現了「ＰＳＰ（Playstation Portable）」遊戲機的電池話題？有人發文提醒「ＰＳＰ放久了電池會膨脹」之後，很多很久沒有拿出ＰＳＰ遊玩的人開始陸續回報出現同樣的問題，甚至在推特（現在的Ｘ）上也成為趨勢話題之一。
其實像這種「電池膨脹」的問題，並不是只有ＰＳＰ的電池會發生，只要是使用「鋰電」的產品，都可能會出現。這樣寫可能會透露年齡，「多功能手機（Feature Phone）」也會出現電池漸漸膨脹，以至於貼上貼紙的內蓋根本蓋不起來的現象，可能有不少資深手機使用者都還有印象吧？
那麼，鋰電為什麼會膨脹呢？
鋰電會膨脹的因素有好幾個，但就一般使用者通常使用環境下出現的可視膨脹現象而言，大略統一推斷為伴隨著電池原料的劣化而生成氣體造成的結果也無妨。換句話說，就是電池內部累積了氣體而使其逐漸膨脹。
至於生成氣體的機制，有很多各式各樣的研究成果報告出現，其實「鋰離子電池」本身就是個包含範圍很大的名稱，因為它概括了原料構造或特性差異很大的各種電池，全部都被稱為這個名字（有機會再來針對這個名稱進行解說），因此嚴格來說，有必要針對不同組成材料會產生出怎樣的氣體之行為來個別考量，但本文就先以一般教科書所介紹的材料構造來討論產生氣體的現象。
一般來說，鋰離子電池的充放電可以用以下的化學式來表示：
正極反應：Li（1-x）CoO2＋xLi＋＋xe-←→LiCoO2
負極反應：LixC←→C＋xLi＋＋xe-
電池整體反應：Li（1-x）CoO2＋LixC←→LiCoO2＋C
就原理而言，這是個鋰離子（Li＋）往來於正極與負極之間的可逆化學反應，完全不到因為充放電造成的材料不可逆變化（劣化）。不過實際上卻還是同時會發生些微的不可逆化學變化，而讓電池漸漸劣化。
在構成電池的材料之中，影響最大的，還是「電解液」的劣化，分解出來的氣體也最多。一般的電解液大多是使用碳酸酯類的有機溶媒來溶解六氟磷酸鋰（LiPF6）等等鋰鹽類，而這些電解液就算是依照製造業者推薦的正常使用範圍來操作，也還是會漸漸反應產生分解物。不過，在這種狀況下，通常生成的分解物是以沉澱（換句話說就是固體啦）為主，產生的氣體是微乎其微。會讓分解氣體變多的使用狀況，則是一般通常稱為「過充（電）」或「過放（電）」的使用方式。
容易產生出氣體的過充電與過放電
所謂的過充電，就是超過電池可容量１００％下還要繼續灌入能量的充電狀態。
在過充電的狀態下，會讓電池正極中使用的材料放出超過設計容許量的鋰離子，而讓劣化更加容易出現。而劣化後的正極材料又更容易放出氧氣，還讓電解液發生氧化分解而產生出各種氣體。
此外，過充電不僅僅是讓電池內產生氣體膨脹，也是電池異常發熱的要因之一，可說是非常危險的狀態。所以要推往市場的產品，通常都會在電池內部加入控制電路，使電池出現過充的狀態前遮斷通電，控制不要進入過充的狀態。
不過，這些保護措施還是取決於電池的品質或控制電路的性能，使得電池依然存在著過充的劣化風險。使用鋰離子電池的產品中往往會出現使用便宜但非正規的電池或充電器，但考慮到電池控制的重要性，如果沒有特別的原因，請極力避免使用正規品以外的電池或充電器。
至於過放電，則是在產品狀態已經顯示出電池容量抵達０％時、還要用想要榨乾能量的方式繼續放電的狀態。鋰離子電池有所謂的「自我放電」特性，就算在不使用的狀態下，電池容量也會漸漸減少。此外，也可以會因為產品設計的因素，為了讓內部電路依然能夠作動，而在產品總電源關閉的狀況下，仍然發生消耗電力的情形。不管是上述狀況的哪一種，產品長時間放置不用，電池容量就是會減少，而出現過放電的危險。如果長期持續著過放電的狀況，則作為電池負極材料的銅箔就會溶解。和這種銅箔溶解同步產生的電解液分解還原反應，又會造成大量的氣體，造成電池膨脹。
換句話說，本文最前面介紹過的ＰＳＰ電池膨脹問題，就可以推斷是長期放置不用而進入過放電的狀態造成的。為了防止這種過放電造成的劣化，裝有鋰離子電池的產品，就算長期不使用，也請定期確認電池的容量不會放到零為止才會安全。
此外，不只是過充電或過放電，電池溫度上升，也是加速其劣化的要因之一。一般來說，化學反應就是溫度越高反應速度越快，在電池上反映出來的就是溫度越高、劣化就越快。在炎熱的高溫環境下，請盡量減少充電下的激烈操作、而導致電池的溫度上升的使用方法。
已經出現膨脹現象的鋰離子電池該怎麼辦？
如果看到電池漸漸膨脹，直覺上會有變危險的擔憂，而常常會讓製造方重新思考膨脹問題而改變設計，但只要不繼續通電，避開高溫多濕的環境來靜置，基本上還是可以認為馬上發生破裂、爆炸等大問題的可能性很低。不過，電池的膨脹還是判斷其劣化與否的重要指標之一。如果是肉眼可變的膨脹程度，那表示電池的劣化已經是進行式了，就得注意不要繼續使用或在電池上施加強烈衝擊，而是建議要盡快處理掉劣化的電池。
不要的鋰離子電池的處理方法會根據使用的產品、居住地或電池的狀態而有所不同。但只要是有加上可回收標記的鋰離子電池，就能送去指定的回收中心回收。
但是沒有加上可回收標誌、或是經過分解處理、泡過水與本文主題的膨脹電池等等，在日本原本都不是回收到的對象，所以需要詢問當地政府或相關單位進行處理協助。
至於回收的鋰離子電池會經過燃燒、分離精製處理等手段，將鈷或鎳等貴金屬回收再利用。另一方面，被放在電池名稱最前面的鋰在現狀上會因為經濟上的困難，常常會處理成「精煉廢棄物塊（Slag＝爐渣）」。後續如果有機會，會再花一篇來介紹電池回收的詳細內容。
以上說明的一般商用鋰離子電池產生氣體的機制，是根據日本電力中央研究所的報告資料「鋰離子電池劣化機制的解明～電解液的分解反應機制」（報告編號：Ｔ９９０４０）整理而成。
在該報告中，解釋了「通常運轉電壓範圍」、「過充電電壓範圍」、「過放電電壓範圍」等等不同狀態下電池放出氣體的機制，從中可知在「通常運轉電壓範圍」下產生的是碳化氫類氣體，「過充電電壓範圍」下產生的是氧氣以及很多的二氧化碳，「過放電電壓範圍」下則是會出現比通常運轉電壓範圍下更多種、多輛的碳化氫類氣體，以及各種狀態下的發生可能性。對於想了解更加專門內容的人，可以去查詢看看這份原始報告。
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