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化學材料與生活:E世代的能源–鋰電池

92/02/19 瀏覽次數 21580
何謂二次電池

一般在市面上看到的乾電池(碳鋅電池)或鹼性電池,用完後無法再重複使用,這種電池稱為一次電池。像行動電話所使用的電池,它可重複充電循環使用,則稱為二次電池。在環保及經濟的考量下,二次電池將是未來電池的主。

二次電池的發展史

二次電池最早始於一八五九年生產的鉛蓄電池,它已伴隨著人類文明走過百年以上的歷史,更歷經無數次的技術改良,直到目前仍是技術發展最為成熟的二次電池。一九一二年,鉛酸電池開始用於提供汽車電力,此外,還可應用在各種不斷電系統(UPS)、船舶通訊系統,以及一般緊急供電裝置等較大型的設備。長久以來,鉛酸電池有其特定的應用領域,主要是因為它的製造成本較低,惟其體積大,重量重,攜帶較為不便,在不需移動或深度放電(一個電池其放電能量超過電池所儲存能量的百分之九十時),電力可隨放隨充的系統中,占有相當的市場。

自一八九九年瑞典的渥德莫‧甄格(Waldemar Janger)發明鎳鎘電池,距今也有百年的歷史。鎳系電池的實用化,是二次電池發展過程中重大的突破。然而,二次電池真正快速成長,則是從一九五○年電池小型化與密封式改良成功後才開始的,從此被廣泛應用於各種消費性電子產品、通訊及資訊產品、視聽設備、安全照明設備、特別是需要瞬間大電力供應的攜帶型電動工具機。如今全球鎳鎘電池的需求量,每年都超過十幾億顆。不過鉛酸與鎳鎘電池,在面臨環保壓力及新型電池強力競爭下,後續成長空間十分有限,尤其是鎳鎘電池所含的鎘,由於會對環境造成嚴重的污染,因而首當其衝,在近年來已呈現負成長的局面。

一九九○年代開發的鎳氫電池,其設計理念源於鎳鎘電池,它在改善鎳鎘電池記憶效應上,有極大的進展。二者間主要的改變,在於以儲氫合金取代原來負極使用的鎘,因此鎳氫電池可說是材料革新的典型代表。而事實上,儲氫合金早在一九五八年即被發現,期間也歷經了多種二次電池新材料系統的考驗,如鎳鋅、鎳鐵、氧化銀鋅、氧化銀鎘等材料。

一九八二年美國歐沃尼克(Ovonic)公司申請儲氫合金應用於電極製造的專利,使得此一電池材料受到重視,隨後在一九八五年荷蘭菲利浦公司突破了儲氫合金在充放電過程中容量衰減的問題,終使鎳氫電池脫穎而出。目前在日本有八家以上的鎳氫電池製造廠,德國、美國、香港、臺灣亦有生產鎳氫電池,產品大量應用在早期的筆記型電腦、無線電話、大哥大、攝錄影機等蓬勃發展的資訊、通訊與消費性電子產品領域,市場反應良好。

鋰電池的發展,初期以一次電池為主,自一九八○年英國谷登拿(John B. Goodenough)教授發表鋰鈷電極材料的論文,到一九九一年日本新力能源科技公司正式推出鋰離子二次電池商品,短短十幾年的時間,在日本即有十家以上的廠商投入生產,產值超過二千億日幣。該產品的特點包括能量密度高、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,學界、業界對鋰二次電池的研究仍十分熱烈。此類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,兩者均以碳材為負極,配合鋰鈷氧化物(LiCoO2)、鋰錳氧化物(LiMn2O4)或鋰鎳氧化物(LiNiO2)等正極活性物質。

鋰二次電池現正以大於75%的成長率占有市場,早期這類產品以使用在行動電話與攝錄影機為主,近幾年來,已成功進入筆記型電腦應用領域,目前市場上價位高於1,000美元的高級機種,皆配備鋰離子二次電池。有關鋰二次電池進一步的研發,偏重於電池安全性的考量,因此,電池材料上的改良創新,時有所見。其中,鋰高分子電池承襲上述主要材料系統,而在電解液上進行改善,一九九七年已有少量商品上市,目前還在積極研發中。

鋰二次電池的工作原理

鋰離子二次電池在充電時(充電器將電流送入鋰電池的正極),電子經由充電器外部進入電池負極(電流方向與電子流方向剛好相反)的活性材料結構中(如碳材),同時正極材料(通常為鋰金屬氧化物)中的鋰離子則離開正極,經由電解液通過隔離膜進入負極。在放電時,電子及鋰離子則反向而行。

由於鋰電池的工作電壓為3.6伏特,恰好是鎳鎘或鎳氫電池的3倍,一顆鋰電池相當於三顆鎳氫電池串聯。而大部分電腦的中央處理器(CPU)所需電壓在2.5到3.3伏特間,一顆鋰電池就可勝任了,在體積及重量的考慮下,鋰電池當然雀屏中選,成為E世代的寵兒。

未來新產品的應用

介紹了那麼多有關鋰電池的特性,無非是希望它在未來的新產品上能廣受青睞,別忘了我們的標題是E世代,以下是一些發揮鋰電池輕薄及高能量密度功能的概念產品。

新世代手機結合隨身用具:女生最愛,化妝聊天手機。手機+隨身聽+鑰匙圈。定位、追蹤、協尋系統:預防小孩或寵物走失的迷你衛星定位系統。多媒體視聽娛樂:結合奈米科技、鋰高分子電池、視網膜投影技術而成的數位眼鏡,使大螢幕與移動性,不再兩難。穿戴式的行動數位助理或電玩虛擬手套。電動交通工具:輕便電動代步車。複合材料國民電動車。

上述概念產品在未來十年內將可應市,套句E世代語言「有夠酷,有夠炫」。

未來發展方向–新材料開發與精煉

根據目前鋰二次電池材料技術發展的概況分析,正、負極活性物質與電解液系統的種類繁多,相關材料的研發正方興未艾,顯示對電極材料供應廠商而言,本身具有新材料的開發及測試能力,是與同業競爭時的關鍵因素。由於電極材料是電池性能的關鍵所在,業界對於電極材料的研發從未間斷,即使如氫氧化鎳或儲氫合金等已開發成熟的電極材料,提升性能的研發工作仍在繼續進行。今日電池的製造技術已愈趨精密,更需要專業的材料廠商持續進行研發,供應電池材料,藉由專業分工,達成產品品質精益求精的目標。

就電極材料的製造而言,必須大量使用鋰、鎳、鈷等金屬,由於這些物質在國內的產量有限,目前我國電極材料完全依賴進口,因此臺灣電極材料仍處於代理商競爭的階段。然而,在全球二次電池產銷量急速成長的帶動下,臺灣有越來越多的化學品製造商跨入電極材料的生產領域中,如何精煉電極材料提高自製率,及更新自動化生產,是臺灣未來研發的方向。

臺灣已經在許多資訊產品的製造上執全球的牛耳,在未來無線E世代的生活裏,鋰電池絕對是一個不可或缺的關鍵性組件。我國能否繼半導體、液晶顯示器及筆記型電腦後,成為全球第一大鋰電池生產國,有賴政府、民間與學術單位各方面的努力。

名詞解釋
  1. 自放電:當電池一陣子不用時,因空氣中微量導電因子(如水+二氧化碳)造成電池電力流失,稱之為自放電。
  2. 記憶效應:假設電池總電容量為100%,每次使用時卻只用了60%就充電,時間一久電容量就好像退化成原來的60%,如同電池在記憶使用者習慣一般。這也是為什麼有些商品說明書建議消費者,每月至少要一次徹底放電後再充電。
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