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?

2023-10-30 12:03

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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。

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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。

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。

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