鋰離子電池基礎知識

什麼是鋰離子電池（二次電池）？

鋰離子電池是一種二次電池，是為智慧型手機、電動車等眾多現代科技產品提供動力的重要可充電儲能係統。其工作原理是利用隔膜和電解液促進鋰離子在正負極之間的移動，每個組件在確保高效儲能和釋放能量方面都發揮著至關重要的作用。

二次電池，也稱為可充電電池或蓄電池，是一種可以多次充放電的儲能裝置。

與一次性使用的原電池不同，二次電池利用可逆的電化學反應，可以透過施加外部電流進行充電。

這種可充電特性使得二次電池從長遠來看更具成本效益和環保性。

二次電池的主要特性包括：

• 高功率密度和放電倍率
• 低溫性能優異
• 既可用作儲能裝置，也可用作便攜式電源
• 應用領域廣泛，包括電動車、消費性電子產品、再生能源儲存和工業備用電源系統
• 常見類型包括鋰離子電池、鉛酸電池、鎳鎘電池和鎳氫電池

儘管二次電池具有許多優勢，但與一次電池相比，其能量密度可能較低，初始成本也可能較高。

目前的研究重點在於提升二次電池的性能、安全性和永續性，以滿足現代技術和能源系統日益增長的需求。

二次電池種類繁多，每種電池都有其獨特的功能和應用。

最常見的類型包括：

• 鉛酸電池：以其低成本和良好的高低溫性能而聞名，廣泛應用於汽車、割草機和飛機。然而，它們的能量密度低，且蓄電能力差。
• 鎳鎘 (NiCd) 電池：具有良好的物理耐久性和蓄電能力，但存在“記憶效應”，且含有有毒的鎘。它們常用於飛機和緊急電源應用。
• 鎳氫 (NiMH) 電池：比鎳鎘電池具有更高的能量密度，且更環保。它們常用於消費性電子產品和便攜式設備。
• 鋰離子 (Li-ion) 電池：是二次電池中能量密度最高的，因此是便攜式電子產品和電動車的理想選擇。它們具有循環壽命長且無記憶效應，但比鉛酸電池更昂貴。

每種類型的二次電池都有其自身的優點和局限性，根據能量密度、成本、循環壽命和環境影響等因素，它們適用於不同的應用。

鋰離子電池相比其他電池技術具有幾個關鍵優勢，使其成為許多應用領域的首選：

• 高能量密度：鋰離子電池的能量儲存能力是同等尺寸鎳鎘電池的 3-4 倍，從而延長了設備的續航時間，並實現了更小巧、更輕的設計。
• 長循環壽命：妥善保養的鋰離子電池可承受 2000 次以上的充放電循環，在許多情況下可使用 8-10 年。
• 快速充電：鋰離子電池支援快速充電，部分系統可在 1 小時內充滿電。
• 低自放電：鋰離子電池在不使用時，每月僅損失 2-3% 的電量，從而延長了續航時間。
• 無記憶效應：與其他一些可充電電池不同，鋰離子電池無需完全放電即可充電，並始終保持其滿電狀態。

這些優勢使得鋰離子電池成為從便攜式電子產品到電動車和再生能源儲存系統等各種應用的理想選擇。

鋰離子電池雖然應用廣泛，但仍存在一些明顯的缺點：

• 安全隱患：這些電池容易發生熱失控，可能導致火災或爆炸，尤其是在損壞或使用不當的情況下。
• 對極端溫度敏感：暴露於極高或極低的溫度下，電池的效能和壽命會受到顯著影響。
• 生產成本高：複雜的製造流程和所用材料使得鋰離子電池比其他一些替代電池更昂貴。
• 壽命有限：隨著時間的推移，鋰離子電池的性能會逐漸下降，通常只能承受 500-1000 次充放電循環，之後容量就會顯著降低。
• 環境影響：鋰和其他材料的萃取會破壞生態系統，污染水源，並造成空氣污染。

此外，鋰​​離子電池需要保護電路來防止過充和過放，這增加了其設計和使用的複雜性。

對這類電池日益增長的需求也引發了人們對鋰、鈷和鎳等關鍵礦物長期供應的擔憂。

鋰離子電池由四個主要部件組成：陰極、陽極、電解液和橫膈膜。

陰極通常由鋰金屬氧化物製成，而陽極通常是石墨。

電解液是溶解在有機溶劑中的鋰鹽，它促進電極之間的離子移動。

微孔隔膜可防止電極直接接觸，同時允許離子流動。

電池的工作原理是可逆的鋰離子嵌入。

充電時，鋰離子會透過電解液從陰極移動到陽極，而電子則流經外部電路。

這個過程將能量儲存在電池中。放電時，離子和電子反向移動，釋放能量為連接的設備供電。

鋰離子在電極之間往復移動的這種「搖椅」機制使電池具有可充電性和高能量效率。

在鋰離子電池中，陽極和陰極在能量儲存和釋放過程中起著至關重要的作用。陽極通常由石墨製成，在放電過程中作為負極，釋放鋰離子和電子。

相反，陰極通常由鋰基化合物（例如鈷酸鋰）組成，作為正極，接受這些離子和電子。

在充電過程中，它們的角色互換，陽極接受鋰離子，陰極釋放鋰離子。

這種由電解液促進的電極間離子可逆移動過程，使電池能夠有效地儲存和釋放電能。

隔膜是鋰離子電池的關鍵部件，它作為陽極和陰極之間的可滲透膜發揮作用。

其主要功能包括：

• 防止電極間物理接觸，避免短路
• 允許離子透過其多孔結構傳輸，促進電化學反應
• 提供機械支撐並維持適當的電極間距
• 作為電解液儲存器，確保離子均勻分佈
• 透過熱關斷功能增強電池安全性

隔膜通常由微孔聚合物薄膜製成，例如聚乙烯或聚丙烯，其設計旨在承受電池內部的化學環境，同時保持結構完整性。

隔膜的特性，包括孔隙率、厚度和熱穩定性，直接影響電池的性能、安全性和使用壽命。

鋰離子電池中的電解液是促進電極間離子傳輸的關鍵組件。它通常由溶解在有機溶劑中的鋰鹽組成，並添加一些添加劑以增強電池性能和安全性。

最常用的鋰鹽是六氟磷酸鋰 (LiPF6)，它以其優異的導電性和穩定性而聞名。

有機溶劑通常包含環狀碳酸酯（例如碳酸乙烯酯）和線性碳酸酯（例如碳酸二甲酯）的混合物。

電解液的主要功能包括：

• 在充放電循環過程中，鋰離子在電極間傳導
• 為電化學反應提供介質
• 在電極表面形成保護層，稱為固體電解質界面（SEI）
• 確保電池的熱穩定性和化學穩定性

電解液的組成和性質對電池性能有顯著影響，包括能量密度、功率輸出和循環壽命。

目前的研究重點是開發先進的電解液，例如固態電解液和高濃度電解液，以提高下一代電池的安全性和性能。鋰離子電池中的電解液是促進電極間離子傳輸的關鍵組件。它通常由溶解在有機溶劑中的鋰鹽組成，並添加一些添加劑以增強性能和安全性。

鋰離子電池的生產依賴於幾種關鍵原料，其中最關鍵的成分包括：

• 鋰：陰極和電解液的必需材料，通常來自鹽湖或硬岩礦。
• 石墨：用於陽極，有合成和天然兩種形式。
• 鈷：重要的陰極材料，主要產自剛果民主共和國。
• 鎳：在新型陰極材料中日益重要，有助於提高能量密度。
• 錳：用於某些陰極配方中，以增強穩定性並降低成本。
• 銅：用於集流體和導線。

隨著電動車普及率的提高，對這些材料的需求預計將顯著增長。例如，預計到2030年，鋰的需求量將增加2.5至5倍，可能達到每年24萬至45萬噸。

儘管人們對材料短缺有擔憂，但專家認為，只要勘探、生產和回收力道相應加大，現有資源就足以滿足未來的需求。

鋰離子電池依賴多種關鍵材料，而這些材料的儲量在全球各地差異顯著。澳洲和智利擁有最多的鋰儲量，分別為930萬噸和620萬噸，總價值超過5,000億美元。

鎳是先進正極材料的關鍵成分，全球已探明的鎳資源總量為3億噸，其中印尼、澳洲和巴西擁有豐富的礦藏。

銅是電池導電的關鍵材料，全球已探明的銅資源量為21億噸，另有約35億噸未發現的銅礦藏。

鈷的儲量高度集中，剛果民主共和國是主要的鈷生產國。

儘管有人擔憂材料短缺，但專家認為鋰離子電池的原料並不存在根本性的短缺。

隨著需求的增長，低品位礦石的勘探和生產可能會擴大，從而確保不斷增長的儲能和電動車市場的長期供應。

除塵器通常用於清除鋰離子電池生產線上的粉塵。

然而，某製造商的工廠每月因安裝錯誤和濾布更換後性能下降，導致所有工廠的除塵器洩漏超過9噸原料。

這不僅造成公司每月約2700萬日圓的損失，也引發了空氣污染問題。

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