鋰電池材料

鋰電池又稱二次電池，是指含有鋰金屬的電池，最早「鋰電池」指的是內含鋰金屬的一次性電池，但由於此種電池鋰金屬的能量密度極高，後來改進為鋰離子二次性電池(電量放盡時為鋰離子，滿電量時結合為金屬鋰)，可藉由充電重複使用，廣泛用在各種電子3C產品上(手機、數位相機、筆記型電腦、mp3等等)。

鋰電池材料介紹：

1.正極材料：一般以錳酸鋰(LiMn2O4)、磷酸鐵鋰(LiFePO4)、鎳鈷鋰(LiNiCOO2)三種為主要材料，在正極活性物質中再加入導電劑、樹脂粘合劑，並塗覆在鋁基體上，呈細薄層分佈。在結構方面，鋰鈷氧化物和鋰鎳氧化物具有極為相同的構造，而鋰錳氧化物則類似尖晶石構造，在放電下的結構安定性較佳。優缺點方面，鋰鈷最為普遍，但原料來源缺乏，鋰鎳的重量能量密度最高，但安全性差，鋰錳價格最便宜，但能量密度及高溫之熱穩定性差。此外，美國麻省理工學院和SONY實驗成果，證明磷酸鐵鋰同時擁有鋰鈷、鋰鎳和鋰錳的主要優點，但不含鈷等貴重元素，具成本低、無毒性、有高功率、高容量等優點，又符合安全性及環保的訴求，近來也成為主流材料。

2.負極材料：主要以碳材料為主，又分為石墨系與焦碳系，石墨系的重量能量密度高且材料本身的結構具有規則性，對電子產品的使用和充電器的設計較具優勢，焦碳系的負極材料在第一次充放電反應的不可逆電容量很高，但此材料可在較高的C-rate下作充放電，加上此材料的放電曲線較斜，有利於使用電壓來監控電池容量的消耗。 

資料來源：工研院
 

3.隔離膜片：置於正負極板中，為一微孔性及多孔性之薄膜，材質以PP、PE為主，其功能起到關閉或阻斷通道的作用，主要在隔離正負極板，防止短路，可使離子通過，並具保持電解液的功能。所謂關閉或阻斷功能是電池出現異常溫度上升，阻塞或阻斷作為離子通道的細孔，使蓄電池停止充放電反應。隔板可以有效防止因外部短路等引起的過大電流而使電池產生異常發熱現象。 隔離膜分為三類：不織布纖維墊(Nonwoven Fiber Mats)、多孔性高分子膜(Microporous polymeric Membranes)、無機混合物膜(Inorganic Composite Membranes)

(1)不織布纖維墊：由天然或合成纖維製成，通常有60%~80%的孔隙度，20~50um的孔徑與100~200um的厚度，纖維的直徑決定了膜厚與表面的平整性，如果纖維直徑接近厚度，則只能有一層的纖維，當有兩條或多條這樣的纖維彼此相鄰，則結構上可能會出現區域性的開放空間，將無法有效防止正負極的短路，目前用在鎳鎘、鎳氫電池。
(2)多孔性高分子膜：孔隙率約40%，膜厚約20um，當電池出現不正常高溫時，多孔性高分子膜由於其結晶態與無型態之間的密度差，在軟化點溫度開始收縮，一般用在商業鋰電池。
(3)無機混合物膜：使用奈米顆粒無機金屬氧化物製成，利用Sol-Gel技術結合在不織布纖維墊材上，擁有極佳的熱安定性與尺寸穩定性，主要用於大型鋰電池，例如電動車與電動工具。

4.電解液：電解液主要功能為傳導鋰離子以及隔離正負極直接接觸。為使主要電解質成分的鋰鹽溶解，必須具有高電容率，並且具有與鋰離子相容性良好的溶劑，即不阻礙離子移動的低粘度的有機溶液為宜，而且在鋰離子蓄電池的工作溫度範圍內，必須呈液體狀態，凝固點低，沸點高。電解質是指當正負極間引起化學反應時，可使離子移動之離子導電體，主要在傳遞整個電化學反應離子的傳導工作。電解質又分為三大類：液態電解質、高分子電解質、固態電解質，目前以液態電解質、高分子電解質可商品化，主要用在3C產品，至於固態電解質仍為實驗階段。

資料來源：工研院

5.安全閥：為了確保鋰離子蓄電池的使用安全性，一般通過對外部電路的控制或者在蓄電池內部設有異常電流切斷的安全裝置。安全閥實際上是一次性非修復式的破裂膜，一旦進入工作狀態，保護蓄電池使其停止工作，因此是蓄電池的最後的保護手段。 

目前鋰電池最大的爭議點在於穩定的安全性，其問題主要來自電池內部溫度升高，包括電池不當加熱、過度充電、正負極材料接觸造成短路等，一般而言，電池掉落時或遭碰撞時，容易造成短路，另外，電池長時間的劇烈震動也會影響，更勿隨意拆組電池，尤其是軟包裝電池，在拆卸時容易造成內部損毀。

當電池內部溫度持續升高且無法抑制時，分開正負極材料用的隔離膜就會開始熔化、穿破，導致大量電流短路，然後電池就會加速變熱，溫度上升至180℃以後會引發正極材料分解，產生很大熱量，使電池瞬間溫度急遽升高，最後產生熱爆升，噴出大量氣體，引發燃燒及爆炸等危險，而正極所釋放出的活化能是主掌整個電池安全的關鍵，因此，磷酸鐵鋰或三元之鎳錳鈷系列為主，因為以橄欖石結構的磷酸鐵鋰具有很強的結構性，在遇到電壓或是環境溫度過高時，不易發生晶體毀損，同時以離子鍵結合的磷酸根也具有不易斷裂產生氧氣的優點，但充放電平台的過低是缺點之一。