保證看得懂的鋰電池技術路線

  鋰電池全名鋰離子二次電池,是一種以鋰為媒介來儲存能量的化學電池。鋰是指鋰電池內傳遞能量的媒介鋰離子,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。


(圖一)鋰電池的結構 
資料來源:Leclanche網站
 

快速認識鋰電池家族中最廣為人知的鈷酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、鋰三元電池

  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。2018年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

 

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

  鋰電池技術在過去十幾年來大躍進,能量密度和壽命是以前的十倍,價格卻十分之一不到,讓對手一個一個被淘汰出局。不過,電池的球賽現在才四局下半,誰會取得最後的勝利還很難說。如能量密度是石墨(372 Ah/Kg)十倍的矽材料(3,579 Ah/Kg)、充電速度是石墨數倍的石墨烯、壽命是石墨十倍(1,000次)的鈦酸鋰(10,000-20,000次),還有整個體系大改的鋰硫電池、鋰空氣電池、固態電池,甚至還有許多非鋰系的外卡選手在場外虎視眈眈,如成本較低廉的鈉、鎂電池,壽命較長的鋁電池等,都以不可思議的速度發展中。

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