- 作者／李赫
- 文字編輯／翁郁涵
新世代電池的首要功課：高續航力與高安全性
現代人離不開電，除了人人家中都有的電器外，和一般人最貼近的電，就是手機電池了吧！在這個手機沒電就可能變失蹤人口的時代，手機的續航力愈顯得重要。
什麼是續航力？簡單說就是電池的蓄電量。人人都希望手機續航力越來越強，最好充一次電便可用一週，但是，電池不能變大變重。這……可能嗎？還是強「電池」所難？
可能，只要我們能提升電池的能量密度。
只要我們能提升電池的能量密度，我們就能增加手機的續航力。
圖／pixabay
能量密度分兩種：體積能量密度 (Wh/L) 和重量能量密度 (Wh/kg)。 前者是單位體積所具有的能量，後者是單位重量所具有的能量。不論哪一種能量密度，只要密度提高，都能夠提升電池的能量。
先來認識鋰電池吧！
鋰電池的基本結構。
圖／Springer Link
手機所用的鋰電池的結構與一般電池相同，包含正極、負極以及電解液 （如上圖）。正極是由三維的晶體結構所組成，負極則是由平面的層狀結構所組成，兩者都具備儲存鋰離子的化學環境。電解液負責攜帶鋰離子在兩極間移動來導通內電路，讓鋰離子在正負極間嵌入／釋出來充放電。
鋰電池的材料組成則是：
1.正極：金屬氧化物（ LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiFePO4, LiNixCoyMnzO2 ）。
2.負極：石墨。
3.電解液：環狀／鏈狀酯類之混和物 （鏈狀碳酸酯類、環狀碳酸酯類）以及鋰鹽類。
自 1990 年 Sony 所開發之鋰電池問世以來，鋰電池製程不斷精進，能量密度從剛開始的 190 Wh/L 上升到今日的 650 Wh/L，幾乎成長了三倍，不過現在卻遇到了電池技術發展瓶頸，遲遲無法繼續提升密度。
然而，即便現在能提升量密度，跟著提高的危險性也不容忽視，尤其鋰電池一直擺脫不了燃燒爆炸的疑慮，像是兩年前的三星手機自然風波，到現在仍讓人記憶深刻。而且不只手機，鋰電池也曾讓走在科技尖端的 Tesla 電動車起火燒毀，因此電池續航力提升的同時，也要確定電池安全無虞，否則光想著伴隨數倍能量而來的數倍爆炸威力，就讓人退避三舍。想做出新世代電池，必須同時改造電池的正極、負極、電解質材料才行。
提高續航力要先解決：鋰電池爆炸
高能量鋰電池由於內部儲存的能量更多，短路瞬間可釋放出之能量也愈多，更像一顆炸彈，所以爆炸的風險一定有。隨著能量加倍，爆炸風險當然升高。攜帶著高能量電池出門就好像攜帶著一顆炸彈一樣。雖然鋰電池本身具有潛在的危險性，但只要我們了解爆炸 （專有名詞為熱失控 Thermal runaway） 的原因就能夠管控風險，將熱失控的可能性降到最低甚至不會發生。
熱失控 (thermal runaway) 所指的情況是，當溫度增高時引發的變化使溫度更進一步的增高，產生惡性循環，因而導致某一種破壞性的結果。
圖／wikipedia
電池內部有複雜的化學反應，熱失控就是電芯短路而造成的連鎖反應。鋰電池在過充、過放的時候，可能因為隔絕正極與負極之隔膜被擊穿，開始內部微短路，接著造成局部加熱、溫度升高，然後受熱的電解液分解產生有機可燃性氣體；受熱的正極釋放出氧氣（正極是金屬氧化物，晶體結構改變導致部分氧原子以氧氣的狀態釋放出），結果電池內便具備了燃燒的三要素：熱源、燃料、氧氣。只要溫度持續急遽上升，就會到達失控邊緣而快速燃燒，進而爆炸。而且爆炸的瞬間溫度可達到攝氏 700℃ 左右。
熱失控的主要成因，為電池內部電解液的化學組成本來就含有機可燃性。
若要改善安全性，則必須替現行的電解液找到取代方案。
從前述的熱失控發生過程我們可以知道，熱失控的關鍵原因就是電解液分解後的有機可燃性，所以想一面提高蓄電量一面降低燃燒風險，就必須減少；甚至去除內部的可燃物質──電解液的碳酸酯類（鏈狀/環狀碳酸酯類）。
一石二鳥的未來計畫
電解液要幫助離子在正負極間快速移動，因此會使用一般認知中傳導速率最快的液體電解質製作，我們要找到能夠替換、不會燃燒的材料來取代電解液，不會燃燒的固體的無機物如果又能夠傳導離子將是最好的選擇。
相關研究顯示，確實存在具有高離子傳導速率的固體電解質，而這類電解質的傳導速率甚至不會輸給液體，這類的晶體稱為高速離子導體 (Fast ion conductor)，其內部存在著特定管道讓離子能夠在內部快速移動而達成離子導通。
鋰離子在具有可以高速移動管道的晶體內傳遞，讓離子傳導速率超過電解液（此以LLZO 離子傳導晶體圖示作說明）
圖／Phys.org
如果能替換電解液的材料，同時將電池的正極以及負極的材料替換成具有更高電量的材料，整個電池在設計上厚度就能夠降低。相對而言在更小的體積內儲存了更多的能量。由計算結果，顯示這樣的設計之下電池的電容量可以由目前的 650 Wh/L 上升到 > 1200 Wh/L，電容量幾乎是目前的兩倍，電池的續航力比目前更多了一倍。
已經看得到電池續航力的未來
綜上所述，如果將電池的正極以及負極的材料替換成具有更高電量的材料，電池電容量便可以由目前的 650 Wh/L 上升到 > 1200 Wh/L。能量密度提升，電池也就能更加輕薄，而且續航力與現有同體積電池相比，可多上一倍之多。再加上將電解液替換為固態電解質，這種電池就能效能高安全性也高。
固態鋰電池以高速離子傳導晶體作為固體電解質，取代傳統電解液，可以提升電池續航力及安全性。 圖／US Department of Energy
這樣一石二鳥的超棒電池構想吸引了全球研究單位以及廠商爭相投入研究開發，甚至已經有實驗型電池進入測試階段。但製造程序尚有很多問題要克服：電池內部固體電極與固體電解質因為都是固體, 在微觀上並未有效接觸會使離子沒辦法順利傳遞或是可以傳遞的暢通路徑變少，產生離子傳遞路徑不暢通而造成電池整體電阻上升的問題。另外大量生產的製造方式與現行的電池的製造方式不同,成本以及良率，也必須詳加度量。不過我們不用灰心，路已找到，只要堅持往前走，科學必定會持續進步。
參考資料：
- Yih-Wen Wang, Chi-Min Shu. Hazard Characterizations of Li-Ion Batteries: Thermal Runaway Evaluation by Calorimetry Methodology. Rechargeable Batteries. 2015.6
- Solid State Batteries for Grid-Scale Energy Storage. US Department of Energy. 2011.10
- Garnet-type fast ionic conductor for all-solid-state lithium battery. Toyohashi University of Technology. 2016.7.20
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