鋰離子電池(Lithium ion battery)的原理、特性與應用

作者:Hightech   |   2019 / 01 / 30

文章來源:知識力   |   圖片來源:Koko


陽極材料(負極材料)

鋰離子電池最常用的陽極材料有四種:

➤鋰離子嵌入石墨(Li/Graphite):將鋰離子嵌入石墨中,鋰離子嵌入的極限值為 LiC6(每六個碳原子可以嵌入一個鋰離子),科學家發現,鋰離子嵌入愈多,則電池的能量密度愈高。

➤鋰離子嵌入氣相成長碳纖維(Li/VGCF):將鋰離子嵌入氣相成長碳纖維(VGCF:Vapor Growth Carbon Fiber)中,由於碳纖維的碳原子距離較遠,可以嵌入更多的鋰離子。

➤鋰離子嵌入類碳聚合物(Li/Polymer Precursor):將鋰離子嵌入類碳聚合物中,由於類碳聚合物原子排列混亂,可以提供更多的空間嵌入鋰離子。

➤鋰離子嵌入摻雜碳(Li/Doped Carbon):先將其他元素(例如:硼、磷、氮)摻雜到碳材料中取代部分碳原子的位置,稱為「摻雜碳(Doped Carbon)」,這樣可以嵌入更多的鋰離子。

陰極材料(正極材料)

不同的鋰電池其實主要是使用的陰極材料(正極材料)不同,目前最常用的陰極材料共有三種:鋰鈷氧化物(LiCoO2)、鋰鎳氧化物(LiNiO2)、鋰錳氧化物(LiMn2O4),這些材料通稱為「鋰嵌入化合物(Lithium Insertion Compounds)」;三種陰極材料的比較如<表一>所示。

表一、鋰離子電池的陰極材料比較表(資料來源:電子時報、拓樸科技)

電解液

電解液可分溶劑與溶質兩部分,由於鋰遇到水會產生氫氣而爆炸,因此只能使用有機溶劑,例如:丙烯碳酸酯(Propylene Carbonate)、乙烯碳酸酯(Ethylene Carbonate)、乙烷碳酸酯(Dimethyl Carbonate)、丙酸(Propiolic Acid)、丁內酯(Butyrolactone)等;溶質一般為鋰離子化合物,例如:LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiBr 等。

鋰離子電池的容量

電池的容量一般使用的單位為「安培小時(Ah:A-hour)」或「毫安培小時(mAh:mA-hour)」,其中 1 安培(A)=1,000 毫安培(mA)。假設某一顆電池的容量為 1,000 mAh(毫安培小時),則我們定義放電率如下:

➤放電率=0.2C:代表以 200 mA(毫安培)放電,則可以使用 5 hr(小時)。

➤放電率=1C:代表以 1,000 mA(毫安培)放電,則理論上可以使用 1 hr(小時)。

➤放電率=2C:代表以 2,000 mA(毫安培)放電,則理論上可以使用 0.5 hr(小時)。

為什麼要強調「理論上」呢?科學家發現,同一顆電池,放電電流愈小,則化學反應較慢,可以放電的時間愈長;放電電流愈大,則化學反應較快,可以放電的時間愈短。換句話說,電池要慢慢放電才能使用更久(細水長流)。

當電池的規格書上寫電池的容量為 1,000 mAh(毫安培小時),通常必須同時註明是在放電率多少(幾 C)的情況下量測的。一般而言,電池廠商都是以放電率=0.2C 的條件下量測電池的容量,放電率愈高(例如:1C 或 2C),則使用時間愈短,所以在上面的例子裡,以 200 mA 放電(0.2C)恰好可以使用 5 小時;以 1,000 mA 放電(1C)實際上只能使用「少於 1 小時」;以 2,000 mA 放電(2C)實際上只能使用「更少於 0.5 小時」。

鋰離子電池的單位

鋰離子電池組裝後的最小單位為「單位電池(Cell)」,常見的有平板形與圓柱形兩種,由於陽極材料、陰極材料、電解液之間的化學反應可以產生 3.7 V(伏特)的電壓,因此一般鋰電池的每一個單位電池(Cell)電壓為 3.7 V。

如果需要更高的電壓或更大的容量,則必須將單位電池(Cell)「串聯(S:Serial)」或「並聯(P:Parallel)」,串聯可以增加電壓;並聯可以增加容量。假設單位電池(Cell)的容量為 1,000 mAh(電壓為 3.7 V),則不同的串聯與並聯可以得到下面的結果:

➤2S1P:將 2 個單位電池串聯,使電壓加倍為 7.4 V,容量仍為 1,000 mAh。

➤1S2P:將 2 個單位電池並聯,使容量加倍為 2,000 mAh,電壓仍為 3.7 V。

➤2S2P:先將 2 個單位電池分別串聯後再並聯,總共 4 個單位電池,使電壓加倍為 7.4 V,容量加倍為 2,000 mAh。

鋰離子電池的活化(Formation)

鋰離子電池組裝完成後先靜置 12 小時,再測量內部阻抗,阻抗愈小,電池的性能愈好;接著將組裝好的電池進行第一次充電,我們稱為鋰電池的「活化(Formation)」,活化的條件很重要,會影響到出廠後電池性能的好壞,而且工業上也沒有一定的標準,因此如何進行活化通常是電池公司的重要機密;接著再進行能量密度測試、充放電次數測試、自放電效應測試、溫度測試等才能出廠。

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀,與產業現狀可能會有差異,若您是這個領域的專家想要提供意見,請自行聯絡作者;若有產業與技術問題請參與社群討論。

知識力》授權轉載

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