上週我寫了一篇文章《手機整晚充電會減少電池壽命?到底錯在哪裡?[1]》,從「電機」的觀點談到「電池充電積體電路(Battery charger)」會替我們處理一切的動作來保護電池,我們睡前插上充電器,整個充電的過程一直到電池充飽以後,都不會由電池供電,所以即使2小時以後電池充飽了,充電器持續接著也不會有問題,隔天早上起床再把充電器拔掉就可以了!
這個文章引來了許多電池專家的反對,從「化學」的觀點說充飽電會傷害鋰電池,我的文章看起來好像在鼓勵大家把鋰電池充飽比較好,所以是不對的!事實上我的文章是告訴大家:我們睡前插上充電器,隔天早上起床再把充電器拔掉就可以了!並沒有「鼓勵大家」把鋰電池充飽比較好的意思。
事實上鋰電池的問題比想像的複雜,那麼到底真相是什麼?使用鋰電池還有哪些該注意的地方呢?未來電動車將取代燃油車,代表家家戶戶都將會有一個超大的鋰電池組,因此確實有必要深入了解一下鋰電池的原理與特性。
鋰電池的工作原理
首先記得電池最重要的材料有三個:負極材料、正極材料、電解質,鋰電池的原理如圖一所示,分為「放電」與「充電」兩個步驟:
放電(Discharge):可以自然發生,由負極發生化學反應產生「電子(Electron)」與「鋰離子(Lithium ion)」,鋰離子會在電解質裡「游泳」由負極穿過隔離膜移動到正極,如圖一(a)所示,同時電子經由負極的銅電極收集以後,經由導線傳送到外面讓電子產品工作。
充電(Charge):必須經由外部提供能量強迫發生,由正極發生化學反應產生「鋰離子」,鋰離子會在電解質裡「游泳」由正極穿過隔離膜移動到負極,如圖一(b)所示,同時電子經由正極的鋁電極收集以後,經由導線傳送回負極。
鋰電池的放電就是鋰離子由負極移動到正極,充電就是鋰離子由正極移動到負極,因為鋰離子必須依靠「游泳」的方式移動,因此電解質一般都是液體,而且鋰與水接觸會產生劇烈反應,因此鋰電池的電解液一般都使用不含水的有機溶液,這些有機溶液大部分是易燃物質,遇到高溫容易燃燒,這是鋰電池產生燃燒爆炸的原因之一。
【重要觀念】
►電池放電的時候負極是「陽極(Anode)」,正極是「陰極(Cathode)」,因此負極材料又稱為「陽極材料」,正極材料又稱為「陰極材料」,感覺怎麼恰好相反?
►化學家定義放出電子的叫「陽極」,而陽極放出電子,代表陽極必定帶負電,因為同性相斥、異性相吸,所以物理學家稱陽極為「負極」。
►但是電池充電的時候負極是「陰極(Cathode)」,正極是「陽極(Anode)」,這是因為氧化還原反應的定義造成的結果,名詞定義常常讓人頭昏腦脹,千萬別弄錯了唷!