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癮科學:鋰離子電池

Andy Yang
2009 年 10 月 30 日, 中午 12:00
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小薑上上個禮拜去工研院進行了一次訪問,題材是「不會爆的鋰離子電池」(猜薄膜喇叭的都猜錯啦 XD)。不過在講到怎麼阻止鋰離子電池爆炸前,讓我們先來了解一下鋰離子電池的原理,以及為什麼它會爆炸吧!

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?