癮科學：鋰離子電池
為什麼用鋰離子電池？
相較於其他種類的充電電池，鋰離子電池有許多優點，這其中最重要的一個，就是它的能量密度。鋰離子電池的電極一般是用鋰化合物和石墨（純碳）所構成，兩者都是非常輕的材料，同時鋰也是一個反應性非常強的元素，因此原子的鍵結中可以存放更多的能量。這兩者相加，就意味著在現有的充電電池中，想擁有同樣的蓄電量的話，鋰離子電池是最輕的，適合手機、筆電、數位相機等隨身物品使用。此外，鋰離子沒有記憶效應，也就是說鋰離子電池不必先把電力放光才能再充電，而且蓄電量也不會太快減少，大約每個月減少 0.1% 的電力（算上保護回路的需求也才 5%，鎳氫電池大約每個月減少 20%）。最後，它還可以歷經數百次的充放電，依然生龍活虎。
但鋰離子電池也有缺點。其中最主要的一個，就是它的總蓄電力（最大電量）會隨著出廠時間增加而減少 -- 無論你用不用鋰離子電池，出廠 2~3 年後電池的最大蓄電力都會大幅降低，甚至無法使用，因此「買了放著」是完全錯誤的做法。其次，鋰離子電池很怕熱，在高溫的環境上最大蓄電量降低的效應會被加速，這部份後面會再補充。再者，鋰離子電池也怕過放電，一但放電超過某個程度，電力可能會再也充不進去。當然，鋰離子電池還有會爆炸的危險，這是大家都知道的。
為什麼鋰離子電池會爆炸？這要從它的化學性質談起...
鋰離子電池的化學
小薑這裡儘量不講的太深入（其實是自已也不是完全懂 orz），但簡單來說，鋰離子電池和所有充電電池一樣，都有一個正極材料和一個負極材料，在這裡正極材料是通常是鋰鈷氧（LiCoO2），而負極材料則有很多種，最常見的石墨（碳）。充電時鋰鈷氧中的鋰離子會游過中間的電解質，附著在負極上，而放電（上圖）時則是相反，從負極的碳游回鋰鈷氧這一側。
在一顆以石墨為負極的鋰離子電池裡，是用一層鋰鈷氧，一層裝有電解質的分隔物、一層石墨為一組，一組一組的疊起來。在手機電池那種薄型電池中，裡面就是這樣一層一層疊起來的，而在筆電裡則通常是把這一片片的材料卷成圓柱狀，變成像 3 號電池那樣的東西。在鋰離子電池中，帶有最大的危險的不是兩個電極，而是中間的有機電解質溶劑，以易燃的醚類最多。當電池因為任何原因短路時，電池內能量會在短時間以熱的形式釋放出來，點燃這些做為溶劑的醚類，引發爆炸。
過放電時鋰離子會和鋰鈷氧直接發生反應，產生氧化鋰和氧化鈷。這個反應是不可逆，所以過放電的鋰離子電池就等於報銷了。
鋰離子電池很容易爆炸嗎？
小薑在工研院得到的經驗是：「怎麼這麼難爆啊！」在工研院，他們裝了一台機器，用鑽頭刺穿平板狀況的薄型電池，基本上必需要是新的、充飽電的電池才有最大的爆炸危險，只要是用過一段時間的電池，不僅最大電壓會大為降低，而且裡面使用的材料也會「鈍化」，變得不那麼容易反應。我們準備了一大堆舊電池準備要爆個過癮，沒有想到的是，不僅全部的舊電池都沒爆掉，連全新的電池都不見得每顆都爆。這是不是說買二手的電池搞不好比較安全？XD
但是爆炸是一回事，我們從探針上的溫度計還是看到了非常可怕的溫度，電池短路後內部溫度常常在 100 度以上，想必這麼燙一塊東西放在褲子口袋裡還是不可能舒服的吧！
鋰離子電池有什麼安全措施？
為了避免鋰離子電池過熱，甚至爆炸，現代的鋰離子電池內建了許多自我保護的機制。首先，每顆鋰離子電池（或在筆電的例子中，整組電池組）都內建了一顆控制晶片，這顆控制晶片會監控電池的電壓（電池組的話，會監控其中每個電池的個別電壓）和溫度，超出設定的範圍，晶片就會自動斷電。此外，每顆電池還會設計排氣孔，讓因高溫產生的氣體可以順利地排掉，不至於累積產生爆炸。
這些保護措施對沒有實體受到傷害的電池來說是足夠了，但如果是被破壞（例如被穿刺）的鋰電池怎麼辦？這就是工研院新研發的 STOBA 電池的強項了。STOBA 電池在電解液內加入了一種「奈米級的高分子材料」，當受熱時，這種高分子材料會聚合成一種具有隔離效果的薄膜，阻止鋰離子的流動，切斷暴走的短路電池繼續加熱電池的可能。這種技術不僅阻止電池爆炸，也阻止了電池可能過熱的危險，大部份我們看到的實驗，溫度都沒超過攝氏 60 度 -- 還是會燙，但至少沒有引燃周圍可燃物的危險。
鋰離子電池怎麼保養？
第一個最重要的原則：不要買電池回來備用！之前說過了，不論你有沒有在用它，出廠的鋰電池蓄電量都會逐漸降低，因此買回來不用的電池真的就是浪費了。同理，購買新電池的時候也要特別注意它的出廠日期，如果出廠超過一年的電池，很有可能蓄電量只剩全新電池的一半！
另外兩個影響蓄電量降低的因素，一是溫度，二是電池充多飽。無論你做什麼（或不做什麼），鋰電池的總蓄電量都是不斷地在下降的，但高溫和充到飽卻會加速下降的速度。因此買一台不那麼熱情的筆電，不僅對生育能力有正面的幫助，對減緩電池的蓄電量的降低也是幫助很大的。另外，如果電腦有相關的設定的話，將電池充到八分飽能將蓄電量降低的速度減少為一半 -- 意即如果每次都將電池充到飽，一年之後本來可以跑 4 小時的電腦只能跑 2 小時的話，那每次都只將電池充到八分飽，一年之後電腦還可以跑 3 小時。小薑只知道 Panasonic 和 Thinkpad 有這樣的設定，不知道還有沒有其他廠牌有？
讀者回應 (第 1 頁 / 共 2 頁)
Cliff Lu @ Oct 30th 2009 12:12AM
頭香！？好文推
大同大同服務好 @ Oct 30th 2009 12:35AM
"不過在講到怎麼"且"止鋰離子電池爆炸前"
阻止打成且
我猜作者是用倉頡輸入法吧^^?
delengkimo @ Oct 30th 2009 12:35AM
Fujitsu 也有這樣的設定, 可以參閱全系列的使用手冊都有提到.
大同大同服務好 @ Oct 30th 2009 12:43AM
"不過在講到怎麼"且"止鋰離子電池爆炸前"
阻止打成且
我猜作者是用倉頡輸入法吧^^?
秋 @ Oct 30th 2009 12:46AM
VAIO有
Force v.s. Power~ @ Oct 30th 2009 12:47AM
對鋰電池也不懂，
但 "常充到飽會加速下降的速度"，這一點好像有爭議耶？
不少認識的朋友都發現，三不五時就充飽的同型原廠 手機電池/ 數位相機電池，總壽命會比用完大半以上電力再充的同款電池還久很多～
這一來使用習慣反而要像鉛酸電池，沒事就充飽～ 當然，不時充電所浪費掉的 AC電力成本是沒算進來。
有沒有電池達人可以回答這怪問題？困擾很久了～
Andy Yang @ Oct 30th 2009 12:52AM
Panasonic 有一張說明的圖：
http://panasonic.jp/pc/products/img/common_h_series/mobile/graph_2.gif
在 http://panasonic.jp/pc/products/s8h/mobile.html 這一頁的最下面。
Force v.s. Power～ @ Oct 30th 2009 1:04AM
感謝啦～ 原來是 吃太飽對健康不好！
總算有點基本概念～
tyf @ Oct 30th 2009 1:57AM
應該是說，不要讓電池長時間處於充飽或用殆的情況..
超飽就拔掉電源，低電警告一出來就插上電源.
常常保持內部的電子流動..
readymade001 @ Oct 30th 2009 2:18AM
應該是指"當次"充八分飽電量下降速度緩於完全充滿。
而長時間插電的電器都是在使用AC電源轉換器過來的直流電，而不耗用電池本身的能量/材料，電池處於像"休息"的狀態。也不像每次耗掉一些電池的電量(比如說20%、50%、80%等)就馬上充電，材料相對的耗損較多。
不是一些用鋰電池電器都會說明如果長時間不使用，保持電池電量50%、80%存放(每家說法不一)，並至少每個月、兩個月使用一次，讓電池循環一下。
readymade001 @ Oct 30th 2009 2:24AM
tyf 說的應該不會是個問題，因為現在電器充飽100%電量後會自動斷電，故會發現明明插著插座怎還是有電量耗損，通常在電池減少1%~5%後即會再充電，但比起來還是較長時間用電池後再充電損耗少一些。
大同大同服務好 @ Oct 30th 2009 1:08AM
"不過在講到怎麼"且"止鋰離子電池爆炸前"
阻止打成且
我猜作者是用倉頡輸入法吧^^?
CHT @ Oct 30th 2009 2:49PM
大同大同好跳針...
Aguro @ Oct 30th 2009 1:47AM
真是有趣的實驗啊～
增長知識了～
感謝～
SwimmingIntheMorning @ Oct 30th 2009 2:12AM
那麼，如果筆電（Mac, 小白）一直插著插頭充電呢？（有點像桌機的使用方式）
到底～～，會不會有不好的影響呢？
還請各位大大解答，感恩！
Jesse Wang @ Oct 30th 2009 2:34AM
感謝感謝！
LIN @ Oct 30th 2009 2:53AM
覺得還是眾說紛紜，沒有定論，就連各大廠說的也有些不同。
http://www.apple.com/tw/batteries/ (關於鋰離子電池)、
http://www.apple.com/tw/macbookpro/battery/ (Macbook Pro 電池)、
http://www-307.ibm.com/pc/support/site.wss/document.do?sitestyle=lenovo&lndocid=MIGR-4PJN9K (IBM 對鋰電池的說明)
我想一般人應該會想知道的不是它的運作原理（當然多了解可長知識，這點還是要感謝主編），而是究竟是不是可以「想充就充」「充飽後不拔插頭，是否不會傷電池（∵ 由 AC 供電）」...等等的問題，本篇內容並未提及。
亦未提到如上面 Apple、IBM 網頁裡，關於「Apple 稱充電循環（IBM 稱循環計數）」的說明。依照Apple 跟 IBM 的說法，在這點上是有相同之處。但對於「何時充」的部份，好像有些不同，如下：
1. IBM 傾向「低於某 % 後才開始充電」，這點從它 Power Manager 工具「若要延長電池壽命，您必須將電池設定為低於 90% 才開始充電」的提示可以看到，因此，以它的說法，即使一直插著 AC，在電量沒有低於 90% 時，是不會對電池有任何動作的情況下，也許就不會對電池造成什麼影響；
2. 但 Apple 卻讓人感覺是「想充就充」，覺得可以為了減少所謂的「充電循環」次數，就應該將電量充到 100%，然後也因為此時改由 AC 供電，而未使用到電池供電，避免掉耗用電池的折舊機會。（但它有提及每月至少應完整充放電一次）
結論，究竟是什麼，還是沒有答案的感覺。依個人使用經驗，三年前的小黑 9 cell 電池，一直插電使用，外出或會議時才會使用到電池，且大都會用到 10% 才充電，或者當一直插電使用多天，看見電池因自放電而開始減少時，也會改用電池來做一次充放電動作，如此下來，到目前仍然相當夠力，雖不到原設計蓄電總容量，但也僅減短了少少的蓄電量而已，至少還可撐 2 個半小時的使用時間。而手上的 iPhone，則是有得充就充，會不會有什麼影響，就看以後了。XD
PS. 雖然 Thinkpad 目前已歸屬 Lenovo，但上面所提供之資料來源，為 IBM 時期所出，所以在此回應之內容，仍以 IBM 表示。
Andy Yang @ Oct 30th 2009 4:22AM
感謝 LIN 詳細的補充。
我自已用 Panasonic 筆電的經驗是剛買來的時候全充約可跑 450 分鐘，80 % 電力是約 360 分鐘；現在每次都是充到 80% 的狀態下過了大約一年半，數據降低成全充大約 280 分鐘，80% 大約 220 分鐘，還沒有掉到全新的電量的一半。所以無論 Panasonic 的理論是什麼，顯然是有相當的根據的 @@
Bryan @ Oct 30th 2009 4:37AM
我覺得有可能是各家廠商對電池所謂 100% 的狀態有不一樣的定義
可能有部份廠商在顯示電池充滿(100%) 的情況下 仍有預留一部份的未充飽 來延長電池壽命
但也有廠商認為應該正確顯示電池的狀態
所以各家廠商有不一樣的說法 這是可以理解的
我想工研院的說法應該是建立在廠商有正確顯示電池狀態的前提下
所以 如果你買到的商品 廠商有註明充電方式的話 你就那樣充吧
ksdtmac @ Oct 30th 2009 8:06AM
Mac OS X 的設定是低於 95 ％ 才會充電
所以蘋果沒有給使用者任何提示
才會造就你覺得 IBM 有而蘋果沒有提示的錯覺
因此，使用者在行為上的確是想充就充
但實際上電池有沒有進電
則是由 Mac OS X 決定的