化學與電機的衝突：談鋰電池的原理與保護，該如何使用鋰電池才對呢？

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。 （相關報導： 手機整晚充電會減少電池壽命？到底錯在哪裡？台大電機博士這篇詳解 ｜ 更多文章 ）

【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！

鋰電池的負極材料：石墨(Graphite)、鈦酸鋰(LTO)、矽(Silicon)

一般鋰電池使用「石墨(Graphite)」做為負極材料，因為石墨導電性佳而且價格便宜，但是石墨是「層狀結構」，長期使用鋰離子會在負極材料進進出出，最後會在一層與一層材料之間長出樹枝狀的「鋰晶枝(Lithium dendrite)」，因為它是樹枝狀所以容易刺破隔離膜造成負極與正極之間接觸短路燃燒，或是刺破包裝的塑膠膜使電解液流出，電解液大部分是易燃物質，遇到高溫容易燃燒，最後造成「熱失控(Thermal runaway)」。

由於石墨是「層狀結構」因此會產生鋰晶枝，科學家想到改用「鈦酸鋰(LTO：Lithium Titanium Oxide)」取代石墨，鈦酸鋰(LTO)是「尖晶石(Spinel)」結構，類似蜂巢一格一格，長期使用鋰離子會分散在負極材料的格子裡進進出出不容易聚集產生鋰晶枝，可以增加鋰電池的安全性，未來電動車的時代加油站必須改為充電站，而儲能電池如果使用鈦酸鋰(LTO)做為負極材料可以增加安全性，因此中油積極投入興建鈦酸鋰(LTO)量產工廠，將研究成果商業化帶動公司轉型[2]。

使用鈦酸鋰(LTO)的優點是增加安全性，但缺點是降低鋰電池的能量密度而且價格較高，安全與方便無法兼顧。另外一個選擇是使用「矽(Silicon)」做為負極材料，可以增加鋰電池的能量密度，但是矽嵌入鋰離子體積會膨脹，如果使用純矽做為負極材料，體積可能會膨脹高達四倍，大家可以想像一下充電的時候電池體積膨脹要如何解決？可能的解決方法是製作尺寸小於100奈米的「奈米矽」，但是這樣又會增加成本。

鋰電池的正極材料：三元鎳鈷錳(NCM)、磷酸鋰錳鐵(LMFP)、磷酸鋰鐵(LFP)

三元鋰電池是使用鋰鎳氧化物(LiNiO2)、鋰鈷氧化物(LiCoO2)、鋰錳氧化物(LiMn2O4)，因為含有三種主要元素鎳(Ni)、鈷(Co)、錳(Mn)，因此稱為「三元」，能量密度最高而且價格較高，又不適合大電流充放電，因此比較適合應用在手機或消費性電子產品，但是因為鎳鈷化合物不耐高溫所以安全性較差，雖然特斯拉還是把這種電池應用在電動車上。

解決的方法是改用「磷酸鋰錳鐵(LMFP)」或「磷酸鋰鐵(LFP)」，能量密度較低但是價格較低，又適合大電流充放電，因此比較適合應用在電動車上，而且因為錳鐵化合物耐高溫所以安全性較佳，特別是電動車的電池容量很大，需要在較短的時間內完成充放電，快充快放時電池的溫度上升，因此這是未來電動車主要使用的電池。

鋰電池的電解質：液態電解質、固態電解質

目前最常使用的是「液態電解質」，而且鋰與水接觸會產生劇烈反應，因此只能使用有機溶劑，同時添加一些無機鹽類的溶質增加導電性，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。

解決的方法是改用「固態電解質」，稱為「固態電池(Solid state battery)」，但是鋰離子會在電解質裡「游泳」由負極移動到正極，如果使用固體做電解質，鋰離子就只能靠「擴散」來移動比「游泳」困難，因此固態電池雖然安全性最高，但是價格較高而且技術不成熟，目前還在發展當中。 （相關報導： 手機整晚充電會減少電池壽命？到底錯在哪裡？台大電機博士這篇詳解 ｜ 更多文章 ）

什麼是電池的充放電率(C-rate)？

充放電率(C-rate)的定義是每小時充電或放電的總電容量，電池的容量一般使用的單位是「安培小時(Ah：A-hour)」或「毫安培小時(mAh：mA-hour)」，其中1安培(A)＝1000毫安培(mA)。假設某一顆電池的容量為1000毫安培小時(mAh)，則我們定義「充放電率(C-rate)」如下：

放電率＝0.2C代表以200mA放電，則理論上可以使用5小時(h)。

放電率＝1C代表以1000mA放電，則理論上可以使用1小時(h)。

放電率＝2C代表以2000mA放電，則理論上可以使用0.5小時(h)。

為什麼要強調「理論上」呢？因為同一顆電池，放電電流愈小則化學反應較慢，可以放電的時間愈長；放電電流愈大則化學反應較快，可以放電的時間愈短，換句話說，電池要慢慢放電才能使用更久(細水長流)。當電池的規格書上寫電池的容量為1000毫安培小時(mAh)，通常必須同時註明是在放電率多少(幾C)的情況下量測的。

一般而言，電池廠商都是以放電率0.2C的條件下量測電池的容量，放電率愈高(例如：1C或2C)則使用時間愈短，所以在上面的例子裡，假設以200mA放電(0.2C)恰好可以使用5小時；則以1000mA放電(1C)實際上只能使用「少於1小時」；而以2000mA放電(2C)實際上只能使用「更少於0.5小時」，怎麼樣，鋰電池真的比你想像的更複雜吧！

鋰電池的充電特性

鋰電池的充電曲線如圖二所示，最大充電電壓(100%)和電池的化學成分與特性有關，通常在4.2~4.4伏特(V)，由不同的正極或負極材料決定，當電池電壓與最大充電電壓相差小於0.1V，同時充電電流降低至0.1C時，可以視為「完全充電(Fully charged)」，電池充電積體電路(Battery charger)會自動停止充電，如果積體電路故障造成過度充電會發生熱失控燃燒爆炸。

還記得上回我們談到：當鋰電池開始充電，充電電流就會進入「固定電流(CC：Costant Current)調節模式」，電流注入電池造成電池電壓緩慢上升，最後進入「固定電壓(CV：Costant Voltage)調節模式」，電池慢慢充飽所以充電電流緩慢下降，現在對照這張圖應該就能夠完全理解了吧！

鋰電池的放電特性

鋰電池的放電曲線如圖三所示，我們以放電率0.2C(黑色)為例，當鋰電池開始放電，電壓就會緩慢下降，大約放電到50%電壓開始保持不變，大約放電到10%電壓快速下降，由於無法提供足夠的工作電壓手機就自動關機了，這個時候手機畫面顯示目前電池剩餘的電量為0%，但是實際上並沒有真的完全放電。

由鋰電池的化學反應與材料特性來看，過度放電會傷害電極，過度充電會造成鋰晶枝，這樣都會縮短鋰電池的壽命，理論上鋰電池保持在20%(3.7V)至80%(3.95V)之間使用可以延長壽命，如果電子產品長時間不使用建議充電到80%再保存會比較合適。

由圖三可以看出，放電率愈高(2C綠色)，電池容量愈低，因此電池要慢慢放電才能使用更久(細水長流)。理論上「快充快放」都會縮短鋰電池的壽命，雖然有聽過廠商宣傳快充沒影響，不過由鋰電池化學反應的觀點，慢充慢放應該是比較好的選擇。此外，由圖四可以看出溫度愈低，電池容量愈低，因此鋰電池不適合在低溫下工作。 （相關報導： 手機整晚充電會減少電池壽命？到底錯在哪裡？台大電機博士這篇詳解 ｜ 更多文章 ）

鋰電池的循環次數如何計算？

鋰電池的循環次數是指電池經歷「完整充放電」的次數，通常經由實際放電與充電的容量來估計。當「累積的充放電容量等於設計容量時」算循環一次，也就是完整的由100%放電到0%再充電算「循環一次」，大約在500次完整充放電循環後，完全充電時的容量大約會下降10%~20%，差不多就該換電池了！意思是如果由100%放電到50%再充電算「循環半次」，如果由50%放電到0%再充電也算「循環半次」，所以我們也可以這樣理解：鋰電池壽命和電池的總充電電量有關，和充電次數無關。

睡覺時手機放在身旁充電安全嗎？

在了解鋰電池的化學特性之後，我們再回頭來看看平常如何使用電子產品比較恰當，目前常用的三元鋰電池確實有燃燒爆炸的可能，因此鋰電池充電時多少都有一些風險，所以建議鋰電池充電時一定要有人在旁邊比較安全，而且人和電子產品儘量保持一段距離，如果人在旁邊鋰電池故障燃燒可以立刻把電源關閉，如果人不在旁邊就有可能引發火災。

睡覺時手機充電記得人和手機要儘量保持一段距離，如果鋰電池故障燃燒會有聲音和異味，一般人會被驚醒立刻把電源關閉就好了！當然清醒時充電會更安全，如果睡著了不容易叫醒的人不建議睡覺時手機充電，此外，如果負責充電和監控的積體電路故障，也有可能造成電池過度充電而燃燒，因此不要購買來路不明的電子產品或充電器，要確定產品是有認證過的。

手機可以一邊充電一邊使用嗎？

記得充電時人和手機儘量保持一段距離，因此不建議一邊充電一邊把手機靠在耳朵旁邊使用，在國外有發生過手機充電同時講話發生爆炸受傷的案例，雖然大多發生在比較落後的地區，發生的手機也很舊了！目前有品牌的智慧型手機發生的機率很低，但是電子產品難免有良率的問題，能避免還是比較安全。

手機充飽電後把充電線和手機分開就可以了！如果沒有把電源供應器從插座上拔下來會損耗一些電能，浪費能源不環保所以建議選擇有開關的插座，平常不用可以關起來，此外電源供應器裡面有些被動元件用久了可能會故障，就有可能會發生自燃現象，不使用電器把插座電源關閉或插頭直接拔掉比較安全。

那麼到底鋰電池該如何使用呢？我給大家的建議是：正常使用就好！

站在「電機工程」的專業，手機的電源管理積體電路(PMIC)會替我們控制一切，廠商在設計電子產品的時候必須考慮許多因素：電池成本、全安性、方便性，因此事先都有替我們考量過了，使用者不必考慮太多。

但是站在「化學工程」的專業，鋰電池過度放電會傷害電極，過度充電會造成鋰晶枝，這樣都會縮短鋰電池的壽命，理論上鋰電池保持在20%(3.7V)至80%(3.95V)之間使用可以延長壽命，問題是在日常生活中要刻意做到很困難，有時候常常還會事得其反，這種現象我稱為「化學與電機的衝突」。

想像一下我現在坐在位子上用筆記型電腦工作，插上充電器開始充電1小時後電池達到80%就必須把充電器拔掉，過了3小時電池剩下20%再插上充電器，這樣一整天在座位上反反覆覆會不會太辛苦了？睡覺開始充電1小時後電池達到80%，所以設定鬧鐘半夜一點起床拔掉充電器來保護手機電池嗎？還是買個定時器？

雖然現在的智慧型手機也有提供充電到80%的設定功能，如果不需要長時間外出使用手機，直接設定充電到80%也可以，不過如果電池容量只有80%出門不夠用，結果用到沒電是不是反而會傷害電池事得其反？總之每個人的使用情境不同，可以依照自己的需求來做調整，如果不想這麼麻煩，那正常使用就好吧！

[1] https://www.storm.mg/article/4886467?mode=whole

[2] https://www.cpc.com.tw/News_Content.aspx?n=28&s=70662

[3]https://www.richtek.com/Design%20Support/Technical%20Document/AN024?sc_lang=zh-TW

作者為台大電機博士，知識力專家社群創辦人 （相關報導： 手機整晚充電會減少電池壽命？到底錯在哪裡？台大電機博士這篇詳解 ｜ 更多文章 ）

責任編輯/周岐原