廢棄輪胎變汽車電池！要怎麼做？

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《儲能發展的關鍵未來：鋰離子電池的展望與課題──專訪台科大永續續能源發展中心黃炳照主任》
• 作者／科技大觀園特約編輯｜陳亭瑋

鋰離子電池除了在當今的數位產品中佔有重要的角色，隨著全球氣候變遷、節能減碳的強烈需求，未來的再生能源技術，也需要鋰離子電池發展出足以配合的儲能系統，才能真正帶領我們走向「零碳排」的未來。本次科技大觀園專訪國家講座教授，國立臺灣科技大學永續續能源發展中心黃炳照主任，帶領我們一窺鋰電池技術的發展與未來。

如今，隨處可見各式輕便的電子用品，只要好好充個電，就能用上一段時間，這種習以為常的便利生活，就必須仰賴良好的電池，而 2019 年的諾貝爾化學獎，正是頒給現在最常聽到的「鋰離子電池」。

鋰離子電池除了在當今的數位產品中佔有重要的角色，隨著全球氣候變遷、節能減碳的強烈需求，未來的再生能源技術，也需要鋰離子電池發展出足以配合的儲能系統，才能真正帶領我們走向「零碳排」的未來。本次科技大觀園專訪國家講座教授，國立臺灣科技大學永續續能源發展中心黃炳照主任，帶領我們一窺鋰電池技術的發展與未來。

剛剛於今 (2021) 年獲得德國宏博研究獎的黃炳照，研究專長為各種能源材料研發，包括鋰離子電池、燃料電池及太陽能電池。他說明，鋰離子電池在設計的精進，已經接近學理上的極限：「鋰離子電池材料的單位體積電容量，從 1991 年生產到今天，其實進步並沒有太多。」如果要繼續發展，重心之一著眼於新電池材料的研發。

鋰離子電池的過去

摩爾定律 (Moore’s law) 預測電晶體效能，約在每十八個月會翻倍提升，相較來說，鋰離子電池進步的速度就緩慢許多。鋰離子電池上市至今的三十年間，我們所見越來越小、容量越來越大的電池，多數的進步主要來自於組裝技術，以及附帶組件的壓縮改良。常被簡稱為「鋰電池」的鋰離子電池，電池材料中並非直接有鋰金屬進行氧化還原作用，而是運用鋰離子在正負極間的移動與嵌入，來儲存電能。

正極半反應：

負極半反應：

鋰電池結構可以大致分解為正極、負極、電解液、隔離膜四大部分。所有的電池皆是利用正極與負極間的化學能電位差儲存電能。史丹利·惠廷安 (M. Stanley Whittingham) 在 1970 年代提出充電式鋰離子電池的概念；金屬鋰的反應性高，有機會能較其他使用於負極的金屬儲存更多的能量，可來取代笨重的鉛酸充電電池。惠廷安在早期的實驗中，採用二硫化鈦 (titanium(IV) sulfide; TiS₂) 為正極，鋰金屬為負極，能夠產生二伏特的電流，證實了鋰離子電池的構想可行。然而此正極二硫化鈦易與水氣形成劇毒的硫化氫 (H₂S)，且鋰金屬接觸空氣時的穩定度相當低，由於安全顧慮無法商業應用。而至古迪納夫 (John B. Goodenough) 於 1980 年改採鈷酸鋰 (lithium cobalt oxide; LiCoO₂; LCO) 為正極，使鋰離子電池展現了高電位、高電容量密度、低自放電率與循環穩定性高的特性，至今這類材料仍常見於商業產品中。而適用於負極的材料，則在日本時任旭化成株式會社研究人員的吉野彰 (Akira Yoshino)，改以石油焦炭製成石墨電極，終成就鋰離子電池能夠上市的重要突破。這三位在鋰離子電池上的貢獻，讓他們於 2019 年獲得諾貝爾化學獎。

1991 年，首款鋰離子電池正式上市，引發了電子用品革命的起點：可攜帶的筆記型電腦指日可待，即將席捲全世界的 MP3 播放器、智慧型手機與平板電腦也躍躍欲試。由此之後，鋰離子電池的進步不脫材料以及組裝的改良研究，在顧及安全性的前提下，將各種組件輕薄化，盡可能塞入更多的電極材料，提高能量密度。

鋰電池更具電力的未來

現在的電池技術在能量密度上，大約在 200-250 (Wh/Kg)，現階段如特斯拉等廠商希望透過組裝、大數量串連等方法提升至約 300 (Wh/Kg) 左右。黃炳照表示：「因為工程、物理上的限制，再要有突破就需要材料上的革命。」

如果要進一步提高單位體積的能量密度，還可以怎麼做呢？

概念上可以回歸 1970 年代的設想，使用鋰金屬做為電池的負極，運用鋰金屬有超低還原電位的特性，大幅提升能量密度。但該如何克服鋰金屬低穩定度低的缺點，在科技發展追求更高能量密度的同時兼顧安全性？黃炳照為我們介紹了「無負極電池」的概念：生產階段不需要鋰金屬，於電池正極材料中帶有的鋰離子，在完成組裝後充電，才離開正極，嵌入負極還原為鋰金屬。如此設計的電池不需組裝負極，因此理論上製程簡化成本較低，也避免了組裝使用鋰金屬所需的繁複安全措施。

儘管令人期待，但無論是「無負極電池」或是「鋰電池」，仍需要回過頭以現今的材料技術，攻克過去使用鋰金屬於負極容易發生的安全議題。黃炳照挑戰的課題之一，便是鋰金屬負極循環充放電時，沉積不均勻會導致鋰枝晶形成 (Dendrite Formation)。當鋰金屬表面有缺陷，其界面就容易由於電場不均勻而發生鋰枝晶，此類狀況輕則提高電池內部阻抗，減少循環壽命；嚴重則枝晶會穿刺隔離膜，導致電池發生內短路 (Internal Short Circuit) 而失效甚至起火的安全疑慮。

黃炳照率領團隊從電解液與「固態電解質介面」 (Solid Electrolyte Interface，SEI) 的角度著手。固態電解質介面為電池首次充放電的時候，電極與液態電解質之間會自然形成的特殊隔層，可容鋰離子通過並且保護電極材料。「在這個（負極）石墨表面形成一個『薄紗』，就像一個濾網。沒有這個薄紗就沒有我們今天的鋰離子電池。」

因此發展最恰當的電解質配方，以形成穩定電解質介面，並抑制鋰枝晶的成長、及降低電解液的分解，最終提昇效率以及電池的循環壽命，即是黃炳照團隊努力的主要目標。

鋰電池的未來發展，還包括許多人期待的「固態電池」研發。將電解液由原本的液態改良為固態，也是許多人矚目的焦點。由於鋰對水的活性極大，因此鋰電池的電解液成分以有機溶劑為主，卻有著易燃的缺點。黃炳照表示，現階段材料科學已發表許多固體的電解質材料，鋰離子在其中的傳導的效率可比在液體中還要快。

「就像提供給鋰離子的高速公路。」黃炳照解說，固態電池將可望取代始終具有一定安全性疑慮的鋰電池，但完成組裝正式商業化，至今仍有許多挑戰需要克服。

黃炳照研究的主題除了鋰離子電池，主要為創新奈米結構能源材料研發。其中「同步輻射臨場光譜技術」就扮演了重要的角色。以此技術研究電池，就像幫材料照 X 光拍影片，可以即時觀察充電時材料的變化，以了解並優化電池運作的諸多細節。

「同步輻射就像是一個航空母艦，上面的不同光束 (Beamline) 就像戰鬥機群。」黃炳照比喻，相較於同步輻射提供的設施，各校系的貴儀（貴重儀器設施），就像是無人機，所能提供的「火力支援」有所不及。此技術對於各種電池材料，包括鋰離子電池、燃料電池及太陽能電池等未來的發展都極具影響力。

綠色能源的未來：更安全、更便宜、環境友善

臺灣正在走向能源轉型的階段，再生能源佔比將越來越吃重。考慮到綠能天生不穩定的弱點，需要儲能設施做為輔助。未來的儲能設備將著重在哪類的技術呢？黃炳照認為，能源的使用一直都是多元化的，無論是鋰電池、氫能、燃料電池等儲能技術，都各有其特性。重點仍在於發展出適用、更便宜、性能穩定，且對環境友善的技術，支持各種應用場景的需求特性。

舉例來說，交通工具的電動化將是未來的趨勢，但現行以鋰離子電池為主的儲能設備，其馬力跟續航力有一定的關聯性；相對來說燃料電池則有機會如油車採「油箱與引擎」的分開規劃。又或者受限於電池載重，難以發展電池動力飛機，但氫能如能有效應用其能量密度有潛力供綠色航空起飛。

黃炳照表示，環境友善、永續將會越來越重要。未來隨著各國對於環境保護的需求越來越強烈，使用可再生的綠能將不再只是企業自願性可選擇的作為，終將成為是否具備競爭力的重要環節。臺灣身為全球供應鏈的一份子，要保持商業競爭力，積極發展綠能與相關的基礎建設，很快將迫在眉睫。

要做到環境友善，未來電池的回收、循環經濟勢必成為重要的議題。黃炳照認為，首要的關鍵之一，當然在於研發階段就考量到回收需求而做出對應的設計；其次在後端的回收機制上仍有許多研發的空間，待有志之士投入。但環境友善的精神不應只著眼於最終的回收，還需考慮盡可能最大化產品的使用效益。如應用於電動車的電池需要高端品質，淘汰後可應用於儲能系統，而後或可裝置於緊急照明系統等邊緣設施，如此層層重複利用，對於資源的使用才可達到最佳化。

而這樣最大化、共通共用的概念也可以用於儲能基礎設施的規劃，如將公共電網的儲能需求與電動車充電站共用，在支持電網的同時，電動車用戶也有機會透過售電賺取外快。這類綠能基礎設施的設計形式，將考驗未來城市規劃者的創意與巧思。

鋰離子電池的發展，不僅促成不燃燒化石燃料的電動車成真，也讓我們見識到科技正幫助人類邁向節能減碳，甚至是零碳排的未來。未來，在科學家不懈的努力下，「環境友善、永續發展」終有機會不再是個口號，百尺竿頭再進一步，就讓我們一起拭目以待吧！

資料來源

•  108年度諾貝爾化學獎與鋰離子電池之發明-臺灣物理學會-物理雙月刊
• 【2019諾貝爾化學獎】鋰離子電池– 諾貝爾化學獎專題系列
• 超高能量密度無陽極鋰電池-工程技術:臺灣研究亮點
•  Lithium Ion technical handbook. Gold Peak Industries Ltd. November 2003.

本文由 UL 委託，泛科學企劃執行

• 文／陳亭瑋

2019 年的諾貝爾化學獎頒給了發明鋰電池的三位科學家，因為他們的貢獻，讓我們的世界現在隨處可見輕便的手機、筆電以及電動車。在享受鋰電池帶來便利生活的同時，我們也不能忽略其潛在風險。像是 2016 年三星 Galaxy Note 7 手機的爆炸事件，正是電池設計與品質控管不良等綜合因素所造成；電動車在充電或正常操作時起火燃燒等鋰電池意外也時有所聞。

究竟是哪些因素，讓鋰電池出錯、發生自燃或爆炸的意外呢？這要先從鋰電池的構造說起。

鋰電池內部主要是由正極、電解液、負極、隔離膜四大部分組成，加上外殼封裝之後,  就成為可以獨立運作的基礎單元，一般稱為「電芯」。為了有效管理電池效能，並限制電池因錯誤操作所造成的危險，一個或多個電芯還必須進一步連接管理系統電路板，有時甚至配備主動或被動式散熱系統，加上電池外殼進行最後封裝，才成為一般使用者所看到的鋰電池。

鋰電池的充放電都是化學反應。充電時，鋰離子會由正極往負極移動，放電時則反過來。而像這類的化學反應都會放出熱，再加上「電芯」裡大多是易燃材料，如果電池設計不當、品質不良或使用者誤用，就容易燃燒或爆炸。

接著簡單介紹幾個會造成鋰電池「爆炸」的原理。

爆炸自燃的起點：內部短路與外部短路

所謂的短路（Short circuit）主要指電路中有電位差的兩個節點以極低電阻的元件（像是一般的導線）相連；或者換句話說，應該要做好絕緣的兩個點互相接觸了。短路會造成電路中瞬間出現非常大的電流，大電流所釋放出的能量，除了可能燒壞線路、引爆火花，也會讓電池在極短的時間內過度放電，釋放出大量熱能提高電池溫度。

鋰電池短路可大致分為「外部短路」與「內部短路」兩種。所謂的「外部短路」，就是鋰電池的外部正負極之間，有絕緣不良或設計問題，讓正負極以低阻抗的情況下連接發生短路。而錯誤的使用方式、或是損壞的電器連接電池等風險較高的情境，也有可能造成電池短路。

「內部短路」則通常是由於電池設計不良、品質缺陷、過充過放、不當加熱、外部壓力影響結構等因素，造成電芯內的隔離膜受損，兩極直接接觸而出現短路。如開頭提到的三星 Note 7 的電池，就是出現了內部短路。

鋰電池短路會怎樣呢？短路會讓電池在很短的時間內放出很大的電流，因而大量放熱產生高溫，這樣的高溫會破壞電池內部，繼而出現更劇烈的化學反應。

那遇到高溫、熱到不行的鋰電池會發生什麼事呢？

高溫：鋰電池的熱失控連鎖反應

一般來說，鋰電池在使用上有合適的溫度範圍，建議溫度為攝氏 0 度到 45 度，且不可以靠近火源。這也是為什麼，在旅行時也應該要將鋰電池放在隨身行李，讓鋰電池跟著你走，避免將鋰電池放在潛在有可能高溫的飛機貨艙或是車輛的行李艙中。

就像前面所提及的，鋰電池的充放電都屬於化學反應，本身就會放熱，而溫度越高化學反應速度會越快。因此高溫下，電池內部會產生一連串的連鎖反應，持續產生熱，如果無法散熱就會形成熱失控 （Thermal Runaway），累積的熱最終會可能會導致電池起火。

但是鋰電池為什麼這麼容易燒起來呢？爆炸又是怎麼來的？

成分易燃：有機成分在高溫下不穩定

鋰電池的主要組成如電解液、隔離膜為有機成分，本身就屬於易燃物質。再者，高溫下的鋰電池除了會發生「熱失控」持續加速反應與提高溫度，材料本身也會反應分解出易燃的氣體。如果電池沒有排氣、降溫的設計，遭遇到高溫或短路時，就可能起火燃燒、甚至爆炸。所以為了安全起見，使用有鋰電池的電器時，要記得遵守原始的使用設計、不要隨便更動電器的設計或使用方式；環境中有造成高溫火爐或暖爐等，也要記得避開，就可以更安全。

鋰電池的應用方式不同，安全措施也需要隨之調整。如電動車跟儲能系統中，會使用成千上萬顆鋰電池，當每顆電池都有安全風險時，如何不讓鞭炮般連續爆炸的連鎖效應發生，是未來系統設計的重點。

有安全認證才認真安全

作為使用者，該如何享受鋰電池的便利，同時確保自身安全呢？

遵守鋰電池的使用規範是首要條件：例如要在適合的溫度內使用，不接近高溫或有火源的環境。使用電器產品保持謹慎，電池出現如膨起等異常就立即停止使用。

如果購買的產品經過認證，內置的鋰電池設計妥善，且使用時遵守相關規範，就可以把「爆炸自燃」的可能性降到非常非常低囉。

話說回來，又是誰在幫鋰電池進行安全認證，替鋰電池的使用者把關呢？

泛科學採訪了全球產品安全認證機構 UL，他們位在新北市林口／龜山的實驗室 ，正擔負起替各種商品的安全性把關的重責大任。UL 目前已發展超過 1,400 種安全標準，每年評估超過 2 萬多類的產品，幾乎涉及到所有你想得到的商品，當然也包括了鋰電池。

UL有個測試研發單位，其重要工作就是研究鋰電池的各種失效方式。過往較受矚目的任務，包括受託調查三星及波音 787 發生的電池問題。針對鋰電池的安全性， UL 研發實驗室除了會以儀器分析，掃描其物理結構，也會在不同的條件下測試電池的充放電，以逆向工程的方式，拆卸分解，找出鋰電池的弱點。

此外，實驗室為了洞悉不同鋰電池產品的「失效模式」，會用實驗模擬，甚至如針刺的物理破壞方式「讓它爆看看」，藉此收集各種會讓電池「失效」的相關資訊，提供後續針對失效模式的設計建議。現階段，由於材料的設計與限制，不存在「完全安全」、不會爆炸的鋰電池，但可以放心的是，這世界存在著經過檢驗與設計、安全性較高的產品，以及較為安全的使用方式。

未來在購買相關產品時，我們除了關心性能、售價等因素，不妨多注意注意鋰電池是不是經過安全認證，為這美好的科技世界獻上祝福吧！

本文由 UL 委託，泛科學企劃執行

2019 諾貝爾化學獎頒給了 John B. Goodenough、M. Stanley Whittingham、吉野彰 ，因為他們發明了鋰電池，創造了一個可以反覆充電的世界。

石油危機怎麼辦？那就換種電池吧！

鋰電池這種質量輕盈又可以反覆充電的電池，現在的應用面向非常廣泛，舉凡我們日常使用的手機、筆電和各式各樣電子產品。鋰電池可以存下非常大量來自太陽能、風力發電而來的能量，使得我們有可能再也不需仰賴化石燃料。

鋰電池的發明源於 1970 年代的石油危機。當時，Stanley Whittingham 嘗試找出方法，讓人們可以不再依賴化石燃料。他開始研究超導體，而後發現了一種蘊含了很多能量的原料，他將其用於鋰電池中，以創新的方式創造陰極。這種材料是由二硫化鈦所製成的，在分子大小時，具有可以容納、嵌入鋰離子的空間。

直接用鋰會爆炸！怎麼辦呢？

起初的設計陽極是由具有強反應性的金屬鋰製成，有很高的電位，足以超過 2 伏特。但也由於金屬鋰的活性太高，會讓電池太容易爆炸、無法使用。

John Goodenough 提出預測，電池陰極如果使用金屬氧化物取代硫化物，應足以達到更佳的電位。在經過一系列的研究之後，1980 年他證明了，若將嵌入鋰離子的氧化鈷（鈷酸鋰，LiCoO₂）作為陰極，可以產生高達 4 伏特的電壓。這個重要的突破引出後來更有效的電池。

以Goodenough的催化反應為基礎，吉野彰則在 1985 年研發出商業可行的鋰電池。他使用以碳基材料石油焦 (Petroleum coke) 為原料的石墨作為陽極，取代金屬鋰的使用。

輕薄電池誕生！多次充電新世界

最後，他們便創造出了這種輕巧耐磨，又可以在性能降低前充電上百次的電池。鋰離子的好處在於，它們的原理並不是利用分離電極的化學反應來供電，而是利用鋰離子在陽極和陰極之間來回流動。

總而言之，鋰離子電池自從 1991 年進入市場後，便大幅改善了我們的生活，也為未來無線、無化石燃料的世界打下了重要的基礎，可說是造福人類的一項重要發明。

• 參考資料：The Nobel Prize in Chemistry 2019