鋰電池

鋰電池（Lithium Battery）
國立台灣大學化學系黃俊誠博士/國立台灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

鋰電池的研究最早是在1912年由Gilbert Newton Lewis開始進行鋰離子電池之研究，真正上市的第一顆鋰電池是在1970年上市，但是它不能重複充電使用，為一次性鋰電池。一次性鋰電池以金屬鋰為陽極，碘為陰極，碘化鋰為電解質。鋰電池早期用於心律調整器，可維持十幾年的壽命。其反應方程式如下：
陽極反應：2Li(s) + 2I－(aq)→2LiI(s) + 2e－
陰極反應：I2(l)+ 2Li(aq) + 2e－→2LiI(s)
總反應：2Li(s) + I2(l)→2LiI(s)     總電位 = 3.0 伏特

可重複使用鋰電池的開發是自1980年英國谷登拿（John B. Goodenough, ）教授發表鋰鈷電極材料的論文開始，1991年日本Sony公司正式推出鋰離子二次電池商品。二次鋰電池特點為能量密度高、操作電壓高、輸出功率大、放電平穩、工作溫度區間大、充放電循環可達500次以上、自放電低、儲存壽命長，被視為目前最主要的二次電池。

鋰電池依其隔離層系統的不同，又區分為鋰離子電池與鋰高分子二次電池，兩者均以碳材(如石墨)為陽極，配合鋰鈷氧化物（LiCoO2）、鋰錳氧化物（LiMn2O4）或鋰鎳氧化物（LiNiO2）等陰極活性物質。電池放電反應式如下：
陽極反應： LixC6(s)→ x Li+(os) + C6(s) + x e－
陰極反應： Li1-xCoO2(s) + x Li(os) + x e－→ LiCoO2(s)
總反應： LixC6(s) + Li1-xCoO2(s) →C6(s) + LiCoO2(s)
註：LixC6(s)為鋰與石墨混合，製成特殊材質的電極，C6(s)為石墨 。

一般的鋰離子電池是用鋰鹽有機溶液來當電解質。例如LiPF6、Li[N(CF3SO2)2]。而高分子鋰電池是基於鋰離子電池而來的，原理部分大致相同，僅於部分材料有所區別，兩者最大的不同就是以高分子取代原有電極，或是利用高分子電解質取代鋰離子電池中的有機溶液。高分子在電極的應用多用於陰極材料上，高分子陽極材料較為少見。常見作為陰極的三種主要高分子材料包括有機硫聚合物（Organosulfur、Organosulfide Polymer）、聚苯胺（Polyanaline）以及聚仳咯（Polypyrrole）。高分子電解質是把鹽類溶在高分子中而形成，高分子的導電來自於高分子內離子的移動，而離子的移動同時伴隨高分子的移動。目前發展中的高分子電解質大略可分為四種：PEO（Polyethylene Oxide）系、Polyacrylate系、PAN（Polyacrylonitrile）系以及PVDF（Poly(vinylidene fluoride)）／HFP系。其中除了PEO系為固態電解質外，其餘三者皆屬於膠態電解質。高分子鋰電池相對於鋰離子電池的優點為：
1. 可薄型化或任意形狀。
2. 可並聯或串聯以提高電量或電壓。
3. 大於1000的循環壽命。
4. 可耐100°C的高溫，電解液不會蒸發。
5. 不需要昂貴的隔離模可價低成本。

鋰電池的實用化，使人們的行動電話、筆記本電腦等攜帶型電子設備重量和體積急遽縮小，且使用時間大幅延長。由於鋰離子電池中不含有重金屬鎘，與鎳鎘電池相比，大大減少了對環境的污染。