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。