為何3C產品幾乎都使用鋰電池?他道出判斷電池技術潛能的6大原則,鋰電池實在太神啦

2019-06-10 14:56

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充放電速度快:一來透過較快速的放電提供足夠力量推動你的車子;二來急用時能較快速的速度補充電能。

耐熱耐寒:最好能適應極端氣候,否則在冰天雪地裡電池掛了,車子就不能開了。

安全性高:通常指的是不容易爆炸,這你可能覺得是天經地義,但要知道安全則代表材料必須穩定,而穩定通常意味著能量密度低,這兩者之間有矛盾,必須取得平衡。

達到可商業化的成本:研發階段成本一定很貴,但落地到可商業化的規模,就要評估這個材料降價的潛能。

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要找到能符合以上所有條件的電池,就像找到超完美嬌妻一樣,目前人類能找到最接近的,沒意外,就是她—鋰電池

跟別的電池不同,鋰電池這名字看起來就不像有兩種材料,這是怎麼一回事?其實鋰是指鋰電池內傳遞能量的媒介鋰離子,而鋰離子就像游泳選手一樣,不斷在正、負極間來回游動,當鋰離子游到負極,就是充電;當鋰離子游到正極,就是放電。而讓鋰離子游動的游泳池的水,就是電解液。實務上,為了避免正、負極直接接觸導致短路而燒起來,中間會插入一層高分子做成的隔離膜用以分隔正、負極。也就是說,鋰電池的正負極材料其實另有他人。

(圖一)鋰電池的結構 (資料來源:Leclanche網站)
(圖一)鋰電池的結構 (資料來源:Leclanche網站)

鋰電池內的正極材料組成相當複雜,而負極材料則相對簡單。目前商用負極主要以石墨類佔大宗,超過九成以上。根據不同的來源,又可以分成天然石墨(NG)、人造石墨(AG)兩大類。某些特殊應用如快充放等,會使用軟碳(SC)、硬碳(HC)、中間相微碳球(MCMB)等,這些也屬於廣義的石墨負極。

正極材料總類就多了,但大體上可以分成三大類:鈷酸鋰(LCO)、磷酸鐵鋰(LFP)與三元材料(NMC)。其中鈷酸鋰發展最早,市場也最成熟,多半被應用在數位產品、小家電等。但近年鈷價大漲導致成本墊高許多,加上電池效能發展遇到瓶頸,因此逐漸被後兩者取代。

磷酸鐵鋰特性則是壽命長、安全性高、成本低廉,但它有個致命的缺點,就是能量密度較低。去年(2018)中國大陸對鋰電池能量密度的補助門檻提高後,市場急凍,導致許多材料廠關門大吉。目前磷酸鐵鋰多半被使用在小型儲能電池或是對續航力較不要求的短程電動大巴、電動自行車等,部分使用在汽機車的啟動電瓶。

三元材料的特性則剛好與磷酸鐵鋰相反。壽命短,短磷酸鐵鋰約一半的使用期;安全性也沒有磷酸鐵鋰高;成本也高,較磷酸鐵鋰高約兩倍。但三元材料有個最強悍的優勢—能量密度高,高了磷酸鐵鋰一半以上,因此在要求續航力的平板手機等數位產品,或是我們最哈的電動車等,市場都被三元材料主宰。

(圖二)正極材料比較表 (資料來源:顏文群整理)
(圖二)正極材料比較表 (資料來源:顏文群整理)

鋰電池技術大躍進,在能量密度、壽命以及價格這三大關鍵上完勝對手,但外卡選手在場外虎視眈眈

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