（０３）只要鋰離子和充放電有關，不管是甚麼材料都可以叫做「鋰離子電池」？！
［前言］
至今筆者已經解說過了關於鋰離子電池的「為何電池會膨脹？」、「為何會發熱或起火？」等安全性相關的問題。然而，其實這個「所謂的鋰離子電池，到底是怎樣的電池？」的提問，看起來好像很單純，回答起來卻很麻煩。
在ＮＨＫ很受歡迎的節目「會被小智子罵！（チコちゃんに叱られる！）」於２０２０年３月１３日播放的那一集中，也有人問「鋰離子電池到底是甚麼？」，而就連那個刁鑽的小智子也都回答：「這個問題真是一言難盡，希望諾貝爾獎得主吉野彰先生能夠花一個小時的時間，用簡單淺顯的方式來幫大家解說」。
其實就連本連載的開頭也說過：
「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。
雖然鋰離子電池現在在我們身邊的各種地方都會用到，其技術卻也是相當不容易完全正確理解。為了不被節目中的小智子罵說是「不要渾渾噩噩過日子！」，因此筆者就想來替大家說明一下鋰離子電池到底是甚麼？它又是如何替我們的生活做出貢獻？
多種多樣的鋰離子電池
如果硬是要筆者用一句話來回答「甚麼是鋰離子電池」的話，雖然會有點勉強，但大致可以說成是「以鋰離子為電荷載體（Carrier）的可重複充電電池的總稱」。換句話說，就是「在充電．放電時，鋰離子會在正極與負極之間反覆來來去去移動的電池」。
鋰離子電池工作原理示意圖（引自科學發展月刊）
這個回答的重要之處，就在於「並沒有帶有具體材料的資訊」的概念。好比說碳鋅乾電池就是一種「正極是二氧化錳、負極是鋅的使用完就拋棄的一次電池」；而鎳氫電池則是「正極使用氧化鎳化合物，負極是使用氫或是氫化合物、可以反覆充電再利用的二次電池」，其他的電池都有使用到名稱之中出現的材料，或者是可以限定成某種程度之內有其具體之反應系統。
相反地，在鋰離子電池上則如同前述，只不過是「充放電時有鋰離子參與反應的二次電池之總稱」，所以不管是使用甚麼材料、不管是甚麼構造、不管是怎樣的電池特性，通通都可以稱呼為「鋰離子電池」。
就是因為鋰離子電池不知道有多少種各式各樣的構造，如果要具體詳細說明使用了甚麼材料、個別有怎樣的特徵，就會花非常非常長的篇幅，因此這個部分就留待有機會單獨花一篇來說明。
但如果是限定為由一般材料組成的話，鋰離子電池的狹義定義就可以說成是「正極為含鋰離子的金屬氧化物（如LiCoO2等）、負極為使用碳材料的非水系電解液之二次電池」。
雖然鋰離子是存在於正極的金屬氧化物中，但在充電時鋰離子會往負極的碳材料移動，相反地在放電時就會從負極的碳材料中往外移動，換句話說，在充電／放電時鋰離子就會在正負極之間來來去去移動，這就是鋰離子電池的基本反應。以下就是使用常見材料的鋰離子電池的化學反應式：
正極：Li（1-x）CoO2＋xLi＋＋xe-←→LiCoO2
負極：LixC←→C＋xLi＋＋xe-
電池全體：Li（1-x）CoO2＋LixC←→LiCoO2＋C
像這裡提到的正極的「帶有鋰離子之金屬氧化物」、負極的「碳材料」等等，只要是決定電池容量的材料，都可以稱為活性物質。但只有這些活性物質也無法構成電極，在鋰離子電池的電極中還會用到降低電池阻抗的助導電劑、與其他材料合成連結的結合劑（Binder），與活性物質一起構成的混合物、形成金屬箔，才能成為電極。
從水系電解液到非水系電解液
鋰離子電池還有一個重要特徵，就是並非使用「金屬鋰」、而是使用「鋰離子」來參與電池反應。也是因為不會用到化學性質不穩定的金屬鋰，讓電池的安全性大大提升，這是其能夠廣泛普及的重大原因之一。
另外一個重要特徵則是「具有４Ｖ以上的高起始電力」。在可以充電重複利用的電池中，好比說鉛蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池等等，大部分都是使用水系電解液。就電解質鹽類的溶解性或是離子的移動度的觀點來看，水的確是很適合作為電解液的溶媒；但只要電壓超過１．５Ｖ，就會造成氫與氧的電離，所以這些水系電解液電池起始電力都無法太高。
但在鋰離子電池上，因為使用碳酸酯類的有機溶媒來溶解LiPF6等等鋰鹽來構成非水系電解液，就明顯會比水系電解液能耐高電壓。也是這樣，鋰離子電池能夠比以往的水系電解液電池擁有更高的能量密度、做成更小更輕的電池。像這樣提升過安全性、又能小型輕量化，鋰離子電池就自然普及起來了。
鋰離子電池和可攜式電子產品的互助合作
要談到鋰離子電池的普及化，就絕對不能不談到手機或筆記型電腦等等可攜式電子產品。甚至說鋰離子電池和手機等可攜式產品幾乎是同步進步發展與普及的也不為過。其發展與普及背景中除了前述的安全性提升、小型輕量化等等鋰離子電池技術進步，也跟可攜式產品中使用的電子電路技術進步有密不可分的關係。
現在已經成為我們日常生活中必備用品，而且越來越多小型輕型的手機等可攜式產品，一開始可是以「肩掛電話」這種比現在大型很多的形態出現的呢。
在當時這種產品還是使用類比式電路，其ＩＣ電路的驅動電壓需要５．５Ｖ，因此電源設計上要射程使用五顆起始電力１．２Ｖ的鎳氫電池串聯或是使用兩顆起始電力為４．２Ｖ的鋰離子電池串聯。
之後，電路設計也從類比轉換成數位電路，ＩＣ電路的驅動電壓也從５．５Ｖ下降到３Ｖ，因此相對於鎳氫電池還得要用三顆串聯，電源設計上鋰離子電池只要一顆就足夠了。
對於可攜式產品而言，電池只有一顆可是有非常大的好處，因此可以設計出各式各樣小型輕量化的產品，才能讓可攜式產品正式普及起來。也可以說，鋰離子電池滿足了可攜式產品設計或轉換為資訊社會生活的需求，對於我們的生活而言做出了很大的貢獻。
正是如此，鋰離子電池的普及與可攜式產品的進展緊密地結合在一起，能讓電池高容量化、提升能量密度，或者說可以在有限空間中塞入更多的能量；也是電池越做越小、才能讓可攜式產品開發成可以更長時間使用的版本。
隨著電池性能提升，其優異的特性也能在手機以外的產品找到更多更新的需求。除了像充一次電的行駛距離越來越長的電動車一樣、提升高能量密度的需求依舊不減以外，也有像電動工具或電動刮鬍刀那樣重視瞬間功率高於使用時間的用途，或者是作為緊急備用電源而要求高耐久性、還有如無人機那樣重視輕量化的目標，甚或至在屋外使用也有不易受溫度影響的高穩定性，根據不同的用途就有不同的需求。只要善用電池的各種不同特性，就能拓廣到對生活做出貢獻的各種領域上。
總之，認識鋰離子電池、使其技術更加進展，就能讓我們的未來更加美好。
＝＝＝
沒有留言:
張貼留言