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- 中国最权威的电池行业招聘网站电池英才网企业服务专线86153907,86153527,86153052 电池英才网人才服务专线真址：深圳市南山区科技园南区深圳数字技术园 B2 栋 4 楼 A 区邮箱：电 池 英 才 网 （ /）北半球新能源材料-锂电池北半球新能源材料-锂电池 新能源材料 1.前言: 随着时代的变迁与科技的进步， 数字化的电子产品逐渐发展成熟， 尤其是进入二十一世 纪以后， 大量复杂的信息需求更带动了数字产业的革新。 此类产品的各项组件也慢慢朝向轻、 薄、短、小的目标迈进。然而这些产品的电力供应来源也就相对需要提高性能，于是对于可 充电式电池的改良也就格外显得重要。 电池是所有轻便可携式电子产品的电力来源， 例如行 动电话、笔记型计算机、数字相机、PDA 等，随着近年来行动通讯及轻便可携带式电子产 品的蓬勃发展， 人们对于电池的需求是有增无减。 随着这些电子产品的制造技术趋于成熟以 及市场需求量的增大，逐渐往多功能、处理速度快、屏幕彩色化等方面发展，这也使得具有 能量密度高、循环寿命长、安全性高、无记忆效应、重量轻盈等优点的锂离子电池，逐渐取 代传统的镍氢电池、 镍镉电池等这类碱性二次电池， 而成为轻便可携带式电子产品新一代的 电能储存系统。 2.锂离子二次电池的运作原理: 锂电池的运作原理主要由正负两极极片与电解质所组成的一种氧化还原的循环系统 （图 1-1） 。在负极的反应是为氧化反应，由于 Li 氧化而放出电子，在正极的反应是为还原反应， 电子透过外部的电路传导到正极而使得 Li还原成 Li， 而中间电解液的目的是负责维持两极 的电中性或负责传递离子（图 1-2 与图1-3） ，如此才能让锂离子在充放电过程中往返于正 负极之间。一般的电池反应基本原理都是如此。 3.锂离子二次电池的电极材料 3-1 正极材料 正极材料的选用原则上包括能量密度高（电压高、电容量高） 、电解液不起反应、较快 速的动力学反应、电化学反应为可逆反应、材料在大气中是稳定的等条件。而锂离子二次电 池的正极材料不仅作为电极材料参予电化学的反应， 而且还做为锂离子的来源， 能做为锂离 子二次电池的正极材料，相对于 Li/Li的电位及金属锂、嵌锂石墨和嵌锂碳的电位表示于 图 2-1。 目前市面上的锂离子二次电池正极材料一般是锂钴氧化物（LiCoO2） 、锂镍氧化物 （LiNiO2） 、锂锰氧化物（LiMnO2）等三种二次电池较为常见，其中以锂钴电池的性能最 好， 但是价格在三者中却是最贵的， 而锂镍电池性能较锂钴电池略差一点， 但价格较为便宜， 而锂锰电池是效能三者中最差的，但是价格却是最便宜的（表 1-1） 。 3-2 负极材料 目前商业化的锂离子二次电池所使用的负极材料为碳系材料， 由于过去的碱性电池使用金属锌作为负极材料，在氧化还原时如易生成树枝状的结构，有安全上的顾虑，而且也会引 响电池的循环寿命。 利用金属锂作为负极材料为最早开发的锂离子二次电池， 它是电容量最 高的一种电池，但是锂金属具有极高的活性，容易与许多的无机物与有机物反应，在充电的 过程中，锂重新回到负极时由于没有 SEI 膜的保护，部份的锂与电解质反应，使得反应后的 锂被反应化合物所包覆，转变为弥散状态的锂，使得电池的循环寿命降低。另外锂金属作为 负极材料的锂电池， 藉由电极的氧化还原反应来储存电能， 锂金属负极材料在经过反复的充 放电的作用下，还原时容易生成树枝状的结构刺穿隔离膜，造成电池短路，使电池局部温度 升高，甚至于引起爆炸，进而发生危险。 为改善这一类的问题，主要由三个方面展开研究： （1）寻找代替金属锂的负极材料、 （2）采用高分子电解质来避免金属锂与有机溶液反应、 （3）改进有机溶液的配方，使得金属锂在充放电循- 中国最权威的电池行业招聘网站电池英才网企业服务专线86153907,86153527,86153052 电池英才网人才服务专线真址：深圳市南山区科技园南区深圳数字技术园 B2 栋 4 楼 A 区邮箱：环中保持光滑均匀的表面。 目前前两项已经取得重大的进展，但是直接使用金属锂作为负极材料仍然处于研究阶 段。 碳系材料为目前发展取代锂金属作为负极材料的运用上最成功者， 碳系材料一般具有的 层状结构，可以做为锂离子的进出管道，同时也可做为锂离子的储存的储存空间，但是受到 碳系材料具有的结晶构造、组织构造与形态之影响，使得出现许多电化学上的问题存在，需 要更进一步的改质以冀望改善电化学的性能。表 2 为碳系材料和锂金属在能量密度上之比 较。 4.电解质 电解质的功能， 在传统电化学系统中大多数以盐类水溶液作为阳极与阴极间离子传导的 媒介，然而采用活性极强之锂金属为阳极时，避免有水分存在的系统中，则以盐类的有机溶 液、无机溶液或直接以融盐取代之，其中仍以有机液态电解质为主。 而目前锂离子电池的发展中， 有两种类型的常见的电解质， 分别是液态电解质及固态高 分子电解质。 4-1 液态电解质方面 目前在锂离子电池所使用之液态电解质， 乃由锂盐与一种或多种以上之有机溶剂混合所 组成。在有机溶剂方面包括有：EC(ethylenecarbonate)、PC(propylene carbonate)、EMC(ethyl methyl carbonate)、DMC(dimethyl carbonate)及 DEC(diethyl carbonate)等均为碳酸酯类。在锂 盐方面则有：LiAsF6、LiBF6、LiClO4 及 LiPF6 等。表 1-1 列出目前锂离子电池所用到各 种有机溶剂之基本物性。 液态电解质所搭配之锂离子电池在离子传导方面可降低内部极化阻 力， 其锂离子传导机制是藉由溶剂移动， 因此阻力小， 但液态电解质恐会有分解及漏液之虞。 4-2 固态电解质方面 为了能够使锂离子电池能具有较高之安全性及环境兼容性， 所以液态电解质逐渐朝向由 固态高分子电解质所取代， 而在金属氧化物阴极材料配合固态高分子电解质研究方面， 仍尚 在起步阶段。固态电解质可再分为两类：纯固态高分子电解质(SPE)和胶态高分子电解质(gel-type)。 4-2-1 纯固态高分子电解质 其中 SPE 的系统是由锂盐，如LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiCF3SO3、 LiN(CF3SO2)2 及 LiC(CF3SO2)3 溶于高分子中，如 PEO、PPO。由于此类的有易成膜且机 械强度佳特性，深受重视。不同于液态电解质情形，其导电机制是利用高分子链上具有高阴 电性的原子与复合的锂离子形成配位键，由于碳高分子链上含有高阴电性原子会使链产生柔 软作用，因此借着分子链上局部运动，带动离子在分子内和分子间转移。通常结晶排列越整 齐，高分子链扭动越困难，导电度也就越低。 4-2-2 胶态（Gel-type）高分子电解质 在固态高分子中藉加入溶剂以提高在室温下之导电度，由于固态高分子吸附适量溶剂， 使高分子链呈现润滑，离子可直接经由溶剂流动，不需依靠高分子链蠕动来传导，其导电度 介于液态电解质与固态高分子电解质，但是机械强度却较差于固态高分子电解质。 5.未来发展方向新材料开发与精炼 根据目前锂二次电池材料技术发展的概况分析， 正、 负极活性物质与电解液系统的种类 繁多，相关材料的研发正方兴未艾，显示对电极材料供应厂商而言，本身具有新材料的开发 及测试能力，是与同业竞争时的关键因素。由于电极材料是电池性能的关键所在，业界对于 电极材料的研发从未间断， 即使如氢氧化镍或储氢合金等已开发成熟的电极材料， 提升性能 的研发工作仍在继续进行。 今日电池的制造技术已愈趋精密， 更需要专业的材料厂商持续进 行研发，供应电池材料，藉由专业分工，达成产品质量精益求精的目标。 就电极材料的制造而言，必须大量使用锂、镍、钴等金属，由于这些物质在国内的产量 有限，目前我国电极材料完全依赖进口，因此仍处于代理商竞争的阶段。然而，在全球二次 电池产销量急速成长的带动下，台湾有越来越多的化学品制造商跨入电极材料的生产领域 中，如何精炼电极材料提高自制率，及更新自动化生产，是未来研发的方向。圖 1-1 鋰離子電池基本結構示意圖- 中国最权威的电池行业招聘网站电池英才网企业服务专线86153907,86153527,86153052 电池英才网人才服务专线真址：深圳市南山区科技园南区深圳数字技术园 B2 栋 4 楼 A 区邮箱：圖 1-2 鋰離子電池運作原理圖 1-3 鋰離子在充放電過程中往