在日益依賴便攜式和再生能源的世界中，鋰離子 (Li-ion) 電池站在技術革命的前沿。 從為口袋裡的智慧型手機供電到驅動最新的電動車，鋰離子電池是我們現代生活方式的無名英雄。 但是是什麼讓這些電池如此不可或缺，它們又是如何發揮作用的呢？ 讓我們深入了解鋰離子電池的迷人世界，揭示其運作背後的科學原理、環境影響以及在塑造永續未來中的關鍵作用。
與我們一起探索當今最重要和創新技術之一的核心。
鋰離子電池的演變
原電池[1]在日常家庭中普遍使用，且是不可充電的。 這些電池便於攜帶且價格低廉，但使用壽命有限。 全球每年生產和銷售 150 億個不可充電電池 [2]。 這些一次性電池在完全放電後會被丟進垃圾桶。 然而，由於它們含有有毒金屬和活性酸，因此被歸類為危險廢物，對環境有害。
目前，我們大多數便攜式電子設備（例如筆記型電腦和手機）都配備了可充電鋰離子電池。 然而，大多數人在家居用品中使用一次性電池，例如遙控器、手電筒、溫度計、體重計和計算器使用 AA 和 AAA 電池。
電池背後的科學非常有趣——它們的工作原理是透過兩個端子將化學反應轉化為電能：一個正極，一個負極。
隨著人們對永續發展問題的日益關注以及對不可再生能源的日益關注，對持久充電電池的研究促進了鋰離子電池的發展。 2019年，吉野彰、約翰·B·古迪納夫和M·斯坦利·惠廷漢姆因其在鋰離子電池技術開發方面的開創性工作而被授予諾貝爾化學獎，概述了鋰離子電池在最新技術進步中所產生的影響程度。
探索鋰離子電池背後的科學
在鋰離子電池中，電解質中的鋰離子和外部電流電路中的電子的移動產生電力。 確保電子和離子的這一時刻發生在指定的路徑中至關重要。
鋰離子電池由三個主要部件組成：
- 負極
- 正極
- 塗有/浸泡有電解質的聚合物隔膜。
負極通常稱為陽極，但該術語僅在放電期間適用且正確。 同樣，在放電過程中，正極正確地稱為陰極。
充電期間，鋰離子在內部從負極移動到正極。 相反，電子通過外部電路從負極移動到正極以平衡電荷。 當您使用手機或駕駛電動車時，鋰離子會從電池內部的正極移動到負極，而電子則流經外部電路。 為了使過程正常進行，電解質必須只允許鋰離子通過。 同時，由銅或鋁製成的外部電路必須只允許電子流動。 電解質必須充當電絕緣體且是優異的鋰離子導體。
可充電鋰離子電池是目前滿足能源需求的化石燃料最可行的替代品。 電池最基本的單元稱為電池。 電池通常有不同的配置，即圓柱形、棱柱形和軟包電池。 許多此類電池以串聯和並聯配置連接以完成模組。 多個模組連接起來形成電池組，在各種應用中用作電源。 這種機制為手機等能源密集型微型設備提供動力，並促進電動車製造的技術進步。
下面的圖 3 列出了循環鋰離子電池的關鍵組件。該電池是透過圍繞中心核心（鋁或鋼）卷製三塊片材製成的。 標準電池電壓在 3V 至 4.2V 之間。
鋰離子電池電極材料
為什麼選擇鋰？
電子從負極流向正極產生電流。 鋰離子電池的工作原理是一個有趣的概念，即金屬材料中的電化學勢。 電化學勢描述了金屬失去或獲得電子的趨勢。 正值表示失去電子的傾向，負值表示獲得電子的傾向。
在所有金屬中，鋰失去電子的傾向最高，電化學勢為+3.04 V。純鋰具有高反應性。 然而，當插入金屬氧化物、硫酸鹽或磷酸鹽中時，它會變得穩定。
將鋰插入層狀主體稱為插層，就像容納客體離子或原子一樣。[3] 如圖 4 所示，過渡金屬氧化物、硫化物和磷酸鹽因其高電池電壓 (3-5V)、比容量 (100-200 mAh/g) 和能量密度而被用作正極材料 [4]。
鋰離子電池通常使用石墨作為負極。 在過去的二十年裡，這種碳形式一直是鋰離子電池商業應用的首選陽極材料。 陽極（或負極）的作用是在放電時接收鋰離子並在充電時釋放鋰離子。 在嵌入過程中，鋰離子插入到石墨的碳層之間。 6 個碳原子可容納 1 個鋰原子 [5]。 正在研究的替代陽極材料的例子包括鋰鈦氧化物 (LTO)、碳奈米管和矽 [4,5]。
鋰離子電池的熱管理和熱失控問題
充電/放電過程中電池產生的熱量可能會損害電池壽命，如果不加以控制，可能會導致災難性故障，即熱失控。 鋰離子電池的熱導率顯著影響電池溫度分佈，因此熱導率測量對於設計高效的熱管理系統至關重要，以延長電池壽命並防止熱失控爆發。
由於內部結構不均勻，電池表現出沿面內和面外方向的定向導熱性。 這種性質稱為各向異性。 使用具有各向異性模組的 MP-1 瞬態平面源 (TPS) 方法測量電池的面內和面外熱導率。
延伸內容: 電池的熱傳導測試 (點此)
參考資料
[1] “Electric Battery,” Wikipedia [Online]. Available: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Electric_battery.
[2] Lee, C.-H., Cheng, H.-W., Liao, B.-W., and Jiang, J.-A., 2022, “An Approach to Recover Energy From Discarded Primary Batteries Before Being Disassembled,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, 69(6), pp. 6247–6257.
[3] Manthiram, A., 2020, “A Reflection on Lithium-Ion Battery Cathode Chemistry,” Nat Commun, 11(1), p. 1550.
[4] Nitta, N., Wu, F., Lee, J. T., and Yushin, G., 2015, “Li-Ion Battery Materials: Present and Future,” Materials Today, 18(5), pp. 252–264.
[5] Goriparti, S., Miele, E., De Angelis, F., Di Fabrizio, E., Proietti Zaccaria, R., and Capiglia, C., 2014, “Review on Recent Progress of Nanostructured Anode Materials for Li-Ion Batteries,” Journal of Power Sources, 257, pp. 421–443.
[6] Hossain, E., Murtaugh, D., Mody, J., Faruque, H. M. R., Haque Sunny, Md. S., and Mohammad, N., 2019, “A Comprehensive Review on Second-Life Batteries: Current State, Manufacturing Considerations, Applications, Impacts, Barriers & Potential Solutions, Business Strategies, and Policies,” IEEE Access, 7, pp. 73215–73252.
[7] Zhao, H., Yang, F., Li, C., Li, T., Zhang, S., Wang, C., Zhang, Z., and Wang, R., 2023, “Progress and Perspectives on Two-Dimensional Silicon Anodes for Lithium-Ion Batteries,” ChemPhysMater, 2(1), pp. 1–19.
[8] Gustafsson, S. E., 1991, “Transient Plane Source Techniques for Thermal Conductivity and Thermal Diffusivity Measurements of Solid Materials,” Review of Scientific Instruments, 62(3), pp. 797–804.
[9] “ISO 22007-2:Plastics — Determination of Thermal Conductivity and Thermal Diffusivity — Part 2: Transient Plane Heat Source (Hot Disc) Method.”
[10] “Axial and Radial Thermal Conductivity Measurement of 18,650 Lithium-Ion Battery – ScienceDirect” [Online]. Available: https://www-sciencedirect-com.proxy.hil.unb.ca/science/article/pii/S2352152X23019138. [Accessed: 03-Nov-2023].
