鋰離子電池

鋰離子電池（英語：Lithium-ion battery）是一種會當重複充電電池，伊主要倚靠鋰離子佇正極佮負極之間徙動來做工課。鋰離子電池使用一个1875入去鋰化合物作為一个電極材料。目前用作鋰離子電池的正極材料主要是捷看的有：鋰氧化物（LiCoO 二）、 鋰酸鋰（LiMn 二 O 四）、 鎳酸鋰（LiNiO 二）佮磷酸鐵鋰（LiFePO 四）。 該領域的重要進展是約翰 ・ 古迪納夫，斯坦利 ・ 惠廷厄姆，拉奇德 ・ 雅扎米佮吉野彰佇咧一九七空年代開始並發展到一九八空年代，一九九一年，Sony 和 Asahi Kasei 達成商業化的共識。古迪納夫、惠廷厄姆佮吉野彰因開發鋰離子電池煞得著二空一九年諾貝爾化學獎。

遮的鋰離子電池佮其發展產品是佇咧消費電子領域捷看著的。𪜶是會當紮式電子設備中會當充電電池上普遍的類型之一，具有這个能量密度，無記持效應，佇無使用的時陣干焦沓沓仔電錢損失等等的特點。除了消費類電子產品，愈來愈進步的鋰離子電池嘛愈來愈普及，通用佇軍事，純電動汽車佮航空太空。比如講，磷酸鋰鐵電池當咧成做鉛酸 ba̍t-té-lih 的一種常見的替代 ba̍t-té-lih，佇歷史上鉛酸 ba̍t-té-lih 用佇咧 goo-lú-huh 車佮多用途車，毋過這款高效的新型電池已經會當突破舊底閣有鋰電池佮鉛酸電池的各種缺點，達成全面替代的目標。

此外，鋰離子電池容易和下跤兩種電池混淆：

• 鋰電池（Lithium battery）： 雖然定定用作為鋰離子電池的簡稱，但嚴格意義的鋰電池是鋰原電池，內含純態的鋰金屬，為一改性使用、毋通充電。
• 鋰離子聚合物電池（Lithium-ion polymer batteries，嘛定講是「鋰聚合物電池」）： 大致上其實嘛是鋰離子電池，是普通鋰離子電池的改良，利用膠態抑是固態聚合物取代液態有機溶劑的會當充電鋰離子電池，其實安全性較好袂爆炸，而且會當提各種無仝形的電心，成做了這馬的主流形式電池。

歷史

商業化進前

一九七空年代佇埃克森工作的，這馬佇咧賓漢頓大學做工課的斯坦利 ・ 惠廷厄姆上早提出鋰離子電池。伊採用硫化硫作為正極材料，金屬鋰作為負極材料，製成頭一个鋰離子電池。電池使用金屬鋰會存在安全隱患，因為鋰是一種懸度反應性的元素；因為佇正常大氣條件落水佮氧的存在，鋰會著燒。其研究結果是，共研究方向轉移到尋求用鋰化合物代替金屬鋰鋰而且閣會當接受和釋放鋰離子。

• 一九八Ｏ年，約翰 ・ B ・ 古迪納夫、水島公一等人佇咧英國牛津大學發現鋰離子電池的正極材質鈷酸鋰鋰（LiCoO 二）。
• 一九八二年它利嗎他理工大學（the Illinois Institute of Technology）的 R . R . Agarwal 和 J . R . Selman 發現鋰離子具有1875入石墨的特性，此過程是快速的，並且會使逆。佮這个同時，採用金屬鋰製成的鋰電池，其安全隱患備受關注，因此人就來試利用鋰離子癸入去石墨的特性製作充電電池。頭一个會當用的鋰離子石墨電極由貝爾實驗室試製成功。
• 一九八三年 M . Thackeray、約翰 ・ B ・ 古迪納夫等人發現著尖晶石是優良的正極材料，。 尖晶石具有價數較低、穩定佮優良的引電、導鋰性能。其分解溫度懸，而且氧化性上低於鈷酸鋰，就算出現短路、過充電，嘛會當避免著火、爆炸的危險。雖然純抹尖晶石隨充放電循環會變衰弱，但是這是會當通過材料的化學改性克服的。截至二空一三年抹尖晶石用佇商業電池。
• 一九八五年，日本旭化成的吉野彰運用鈷酸鋰開發電池陰極，徹底消除金屬鋰，完成世界上初會當商業化的含鋰鹼性鋰離子電池。
• 一九八九年，A . Manthiram 佮古迪納夫發現採用聚電解質 ( 比如講，硫酸鹽 ) 的正極將產生閣較懸的電壓，原因是聚電解質的電磁感應效應。

一九九一年 Sony 成功開發鋰離子電池。伊的實用化，使人的行動電話、筆記型電腦等等紮式電子設備重量佮體積大大減細，使用時間大大延長。因為鋰離子電池無含有重金屬鎘，和鎳鎘電池比起來，大大減少著對環境的汙染。

商業化

隨著開發的進展，鋰離子電池的性能佮容量繼續提懸。

• 一九九一年–索尼公司和旭化做公司發布頭一个商用鋰離子電池。隨後，鋰離子電池革新了消費電子產品的面貌。
• 一九九六年–Padhi 佮古迪納夫發現有橄欖石結構的磷酸鹽，親像磷酸鐵鋰電池（LiFePO 四）， 比傳統的正極材料佇安全性佮壽命方面有所進步，毋過低溫性能佮壓實密度有待提懸。
• 二空空一年–約翰 ・ B ・ 古迪納夫獲頒日本國際獎
• 二空空二年–蔣業明教授和伊的小組佇麻省理工學院表明通過和 a-lú-mih，學習和肉的摻雜提高材料的引電性，使鋰電池的性能顯明改善。致使增加的確切機製成做廣泛辯論的議題。
• 二空空四年–蔣業明通過採用磷酸鹽的直徑比一百奈米的粒仔閣再增加性能。這降低粒粒密度差不多一百倍，增加正極的表面積佮改進的容量佮性能。商業化致使閣較懸容量的鋰離子電池市場的快速增長，佮蔣業明佮古迪納夫之間的專利侵權戰。
• 二空一一年–佇日本的所有欲紮兩改（即，通充電）電池的銷售中，鋰離子電池占六十六％。
• 二空一二年–約翰 ・ B ・ 古迪納夫，拉奇德 ・ 雅扎米佮吉野彰獲得矣 IEEE 環境佮安全技術獎章（美國 IEEE）。
• 二空一三年–會當閣充電鋰電池已經進展到磷酸鋰電池，佇正向佮反向反應當中以增加能量效率。
• 二空一四年–Amprius 公司商業電池達到六百五十瓦時 / 升（比以前閣較懸二十％），使用矽陽極，分別交予智慧型電話廠家。美國國家工程學院公認約翰 ・ B ・ 古迪納夫，西美緒，拉奇德 ・ 雅扎米佮吉野彰是今仔日的鋰離子電池所做的先驅性佮領先性的基礎工作。
• 二空一五年–特斯拉汽車公司推出的 Tesla Powerwall 和 PowerPack 電池，分別用住宅佮商業用途。按算因為 Gigafactory 一工場所提供的規模經濟將顯明顯降低會充電的鋰離子電池的價數。
• 二空一八年–吉野彰獲頒日本國際獎
• 二空一九年–約翰 ・ B ・ 古迪納夫、斯坦利 ・ 惠廷厄姆、吉野彰因發展鋰離子電池得著諾貝爾化學獎。水島公一獲得東京大學總長特別表彰。

發展現況

這馬三 C 產業定定提著的鋰離子電池其實是鈷酸鋰電池，廣義的會使充放鋰離子電池是指由一个石墨負極，一个採用鈷、或者是磷酸鐵的正極，猶閣有一種用於運送鋰離子的電解液所構成。一擺鋰離子電池是會當鋰金屬抑是鋰材料作為負極。

鋰離子電池產業發展二十外年來一直集中佇咧三 C 產業為主，較少應用佇市場經濟規模閣較大的儲能佮動力電池（連鞭需要較大電流）市仔，這个市場涵蓋純電動車、油電透合車、中大型 UPS、太陽能、大型的儲能電池、電動手工具、電動 oo-tóo-bái、電動跤踏車、航空太空設備佮飛機用電池等領域。

主要的原因之一是過去鋰電池採用的鈷酸鋰正極材料（LiCoO 二，就是這馬上定看著鋰離子電池）成本較懸，並且難以應用佇耐受穿刺、衝挵佮高溫、低溫等等的條件等的特殊環境。閣較重要的是，因為無法度滿足人對安全的絕對要求而飽受怨嘆病。

同時，酸鈷酸鋰電池嘛無法度達到快速充電佮完全避免兩改汙染等目的，而且，一定愛設計保護電路以防止過度充電抑是過度放電，抑若無就會造成爆炸等等的危險，甚至出現如講 Sony 電池爆炸致使全球品牌 NB 業者投落巨資回收的情形。

另外咧，鈷的價數愈來愈興，全球鈷礦上大生產國拄果民主共和國，戰亂紛擾濟，致使鈷礦價數一直衝懸。酸鈷酸鋰電池的粉體因鈷礦價數不斷起價，這馬已經對原本的每公斤四十美金起價到六十 ~ 七十箍。磷酸鋰鐵粉體依品質好䆀，每公斤售價佇咧三十 ~ 六十箍。

這二空年來，各國產學界早就投入無數的研發人力佮資源，不斷咧揣會當取代的抑是解決 LiCoO 二問題的新材料，因為乎，據統計，全球動力佮儲能電池市場的經濟規模總量每年有到五百億美金，遠大於鈷酸鋰電池逐年五十五 ~ 六十億美金的胃納量。對二空空六年七月到今，包括投入能源儲存設備的 Deeya Energy，發展薄膜鋰電池的 Infinite Power Solution，看好新世代鋰離子電池 ─ 磷酸鋰鐵電池產業（LFP，Lithium Ferrous Phosphate）的美國 A 一百二三 Systems、台灣 Aleees 佮加拿大 Phostech Lithium 等業者，快速對全球創投佮其他的資金來源募來超過三億美金的資金。

優點

• 會用得高能量密度：因為電極材料無仝才無仝，照品照行，會當到百五～兩百 Wh / kg ( 五百四十～七仔二 kJ / kg )；照體積計算，會當兩百五十～五百三十 Wh / L ( 空九九～一孵九 kJ / cm 三 )。
• 開路電壓懸：因為電極材料無仝才無仝，會當到三更三～四配二 V。
• 輸出功率大：因為電極材料無仝才無仝，會當到三百～千五百 W / kg ( @ 二十秒 )。
• 無記持效應：磷酸鐵鋰鋰離子電池無記憶效應，電池佇無放空電的狀況下會當隨時充放電，使用維護簡便。
• 低自放電：< 五％～ 十％/ 月。智慧型鋰離子電池因為有內建的監測電路，監測電路的工作電流甚至懸於自放電流。
• 工作溫度的範圍闊：可在-二十五氏度～六十四氏度之間正常的工作。
• 充、放電速度緊所以，鋰離子電池廣泛應用於消費電子產品、軍用產品、航空產品等等的。

缺點

• 心狂火著：過放電的時陣，過量末入去鋰離子會被固定佇晶格內底，無法度閣放掉，致使壽命加速縮短，深度放電（電壓細漢佇咧三更零 V 時放電）閣較可能電池會損害，因此應該避免無電的時陣來囥。電池損蕩一般為五百擺完全充放，對最高電壓四淋二 V 開始放電至三 V 作為一百，減少深度放電百分之八十的動作，改做淺度放電百分之三十，電池的上懸電壓就會使得著有效維持，會當保養電池長期的健康，電壓較懸的條件之下，驅動電子設備的循環次數會當提懸，根據無仝的電池配方，有效閣放電次數甚至會當達到最近五倍的提升。所以使用至極低電量是損傷電池耐久性的行為，也就是講增加電壓有可能活化電池的上大放電能力。
• 真受袂著：過充電的時陣，電極脫Festival過多鋰離子，閣無及時得著補充，久長致使晶格崩去，對得欲死的損害電池性能，閣較有可能因為𤆬電離子無簡單流動，能量蓄積才致使過熱爆炸。因此廠商運送佮儲藏鋰電池產品的時陣，一般是留干焦三分之一以下的電量，繼續插著充電器接頭的時陣，首重的是避免保持滿電的狀態，以鋰電池作為能量源的電動車定設計有百分之七十左右的充電限制就是根據這點特性，有一寡產品甚至建議日常保持低於百分之五十，互相容量衰退相對會較少，也代表鋰電池必須愛定定使用，愛定時適當的使內儲的電子流動。
• 衰老驚熱：佮其他充電電池無仝款，鋰離子電池會佇咧使用循環中不可避免的自然沓沓仔衰退，就算講是囥咧無咧用，容量嘛會減少，這其實佮使用的次數無關係（除非是過度充放的循環致使的晶格損失，這款的衰老過程講號做損蕩較適合）， 除了本身化學材料的質變，而且嘛誠溫度有關係。可能的機制是內底漸漸衝懸，所以乎，佇工作電流懸的電子產品閣較容易體現熱黔現象，另外嘛愛避免外部氣溫所帶來的影響。用腰酸鋰取代石墨，若像會當延長壽命。儲存電池的溫度佮容量永久損失速度的關係今仔日：
• 回收率：大約有一％的出廠新品因種種原因需要回收。
• 需要偌重保護機制：因為錯誤使用會減少壽命，甚至咱可能致使爆炸，所以乎，鋰離子電池設計的時一般攏會增加真濟種保護機制。
• 保護電路：防止過充、過囥、過載、過熱。
• 排氣空：避免電池內底壓強過大。
• 隔膜：有較懸的抗穿刺強度，防止內部短路；佇咧電池內底溫度傷懸的時陣猶閣會當溶去，阻止鋰離子通過，阻擋電池反應，升高內阻 ( 至二 kΩ )。
• 排氣空、隔膜一旦發動，共用電池永久失效。
• 膨脹：做這電池的過度充電，過熱、駐水，使用副廠充電器，抑是共保存無好勢，進行不當使用攏有可能膨脹甚至爆炸。

種類

這馬定定看著的圓柱型鋰離子電池規格分別有二石一千七百分之二四十六千六百五十 / 一石七千六百七十分之一石八千六百五十 / 一石八千三百五十分之一石八千五百 / 一孵六千三百四十分之一石七千五百 / 一孵空四百四十分之一石四千五百，前兩位數表示電池直徑（單位：公釐）， 第三、第四位數表示電池長度（單位：公釐）， 第五位數代表電池外觀形狀 ( 零：代表電池外觀為圓柱型 )，以一刣八千六百五十電池為例，其實伊是十八公釐，長度是六十五公釐，外觀為圓柱型。一爿四千五百電池 sài-sù 接近 AA 電池（台規三號電池、中國大陸五號電池）， 一孵空四百四十電池是接近 AAA 電池（台規四號的電池、中國大陸七號電池）。 另外電池正極型也分做平頭佮尖頭，平頭電池長即標準 sài-sù，抑若尖頭全長是愛閣增加大約零抹五公釐。

正極材料的選擇決定了電池的容量、安全性佮老化特性。其中鈷特別提供真好的容量佮老化特性，但佮其他的材料比起來，鈷的安全性就差寡。

「 LiNiO 二」（鎳鋰電池）、

「 LiNi 空九八 Co 空二二 O 二」（鎳鈷鋰電池）、

「 LiMn 二 O 四」（鋰電池）、

「 LiNi 空吱三 Co 空吱三 Mn 空吱三 O 二」（三元電池） 磷酸鐵（LFP）鋰電池

鎳鈷鋰電池

鎳鈷鋰電池是鎳鋰電池和鈷鋰電池的固溶體（綜合體）， 兼具鎳鋰佮鈷鋰鋰的優點，一度予產業界認為是上有可能取代鈷鋰電池的新正極材料，但是安全性猶無法度有閣較大突破。

所以，全球相關業者主要是發展集中佇基於磷酸鐵的正極以提昇其安全性，但提懸安全性的代價是電的量略有降低，而且使電池的老化速度較緊。

鎳鋰電池

鋰鎳電池的成本較低而且電容量較懸，猶毋過，製作過程困難而且材料性能的一致性佮再現性差，上嚴重的是猶原有安全性問題。

磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰電池是同時擁有鈷鋰、鎳鋰和鋰鋰的主要優點，但無含鈷等貴重元素，原料價數低閣磷、鋰、鐵佇咧地球的資源含量豐富，袂有供料問題，而且，工作電壓適中（三孵二 V）、 電容量大（一百七十 mAh / g）、 懸放電功率、可快速充電而且循環壽命長，懸溫佮懸熱環境下的穩定性懸，是目前產業界認為較符合環保、安全佮高性能要求的鋰離子電池。

猶毋過，磷酸鐵（LFP）鋰電池壓實密度相對較低、低溫性能欠缺，放電電硩過平穩造成誠歹估計餘電量，而且正極材料存在專利爭議。目前主要的三種技術佮化合物分別由全球三間業者掌握，包括源自美國德州大學的 LiFePO 四，佮另外兩款 Nanophosphate 和 NanoCocystallineOlivine（NCO）。

磷酸鐵鋰電池的規格分別為一、二、三、五、七號，其中五、七號上定看著，五號磷酸鐵鋰電池規格仝款 AA 電池，七號則同等 AAA 電池。

充電的過程

單一枚鋰離子電池的充電過程分兩階段：

一 . CC ( constant current ) 恆定電流充電：先以恆定電流充電，按呢會使電池電壓漸漸增加，一直到電壓到達一特定數值。特定數值的電壓視電池物料而定。 二 . CV ( constant voltage ) 定電壓充電：固定電壓向電池充電，按呢充電流會漸漸減小，到電流小於某一程度了後充電的過程就完成。

多枚串聯鋰離子電池的充電方法較為複雜，分三个階段：

一 . CC ( constant current ) 恆定電流充電二 . 電量衡充 ( blance charging )；減細項別電池的充電量，一直到各電池的充電程度 ( 電量狀態 ) ( SOC-state of charge ) 攏衡等。 三 . CV ( constant voltage ) 定電壓充電

電化學

佮所有化學電池仝款，鋰離子電池嘛由三个部份組成：正極、負極佮電解質。慣勢上，鋰離子進入正極材料的過程叫「1875入去」，離開的過程叫「脫Festival」；鋰離子進入負極材料的過程叫「插入去」，離開的過程叫「脫插」。

正極半反應是：

負極半反應是：

總體反應有局限性。過放電 supersaturates 鋰氧化物，致使產生的氧化鋰，可能是由以下的毋通顛倒反應：

原理

鋰離子電池內底的電解液會使是凝膠體、聚合物（鋰離子 / 鋰聚合物電池）、 抑是凝膠體佮聚合物的混合物。因為目前猶未發現會當佇室溫條件下跤有效運送鋰離子的聚合物，所以大多數「塑膠封袋仔」鋰離子 / 鋰聚合物電池事實上攏是結合凝膠體佮聚合物的混合型電池。

正極抑是負極必須愛有類似海綿的物理結構，以釋放抑是接收鋰離子。伊咧放電的時陣，鋰離子對負極材料徙出到電解液，閣親像水入去海綿仝款的進入正極材料，這个過程予人號做1875入去 ( Intercalation )。充電的過程是完全倒反。

正極

• 正極材料：如果文所述，通揀的正極材料誠濟，目前主流產品加採用鋰鐵磷酸鹽。無仝的正極材料對照：
• 正極反應：放電時鋰離子嵌入去，充電時鋰離子脫Festival。
• 充電的時：LiFePO 四 → Li 一-xFePO 四 + xLi + + xe−
• 放電的時陣：Li 一-xFePO 四 + xLi + + xe− → LiFePO 四

負極

• 負極材料：加採用石墨。新的研究發現講酸鹽可能是閣較好的材料。
• 負極反應：放電時鋰離子脫插，充電時鋰離子插入。
• 充電的時：xLi + + xe− + 六 C → LixC 六
• 放電的時陣：LixC 六 → xLi + + xe− + 六 C

電解質溶液

• 溶質：定採用鋰鹽，如高氯酸鋰（LiClO 四）、 六氟磷酸鋰（LiPF 六）、 四氟硼酸鋰（LiBF 四）。
• 溶劑：因為電池的工作電壓傷懸於水的分解電壓，因此鋰離子電池定定採用有機溶劑，如乙又、碳酸乙烯、碳酸丙烯、碳酸二乙址等等。有機溶劑定定咧充電時破壞石墨的結構，致使其他的剝啦，並佇咧其表面形成固體電解質膜（solid electrolyte interphase，SEI）致使電極鈍化。有機溶劑閣帶來易著火、有一寡安全性的問題。

登機政策

• 中國大陸：個人自用的消費電子產品，如手錶仔、計算機、kha-mé-lah、手機仔、筆記型電腦、紮型攝影機等，若是內含鋰抑是鋰離子電池心抑是電池的，允准登機。如做一个電池的，著愛單一个寄付，著愛做好防短路保護，干焦會當佇手捾行李中紮，並且限制佇每人無超過兩个，等質總鋰含量無超過二十五克。託運行李禁止紮鋰離子電池。
• 美國：若是唯若鋰離子電池是安裝佇允准登機的設備頂面的時陣，該電池才准予登機。手捾行李無接受此限。
• 台灣：不得共鋰電池單獨紮，必須著愛裝佇電子機器內底，若無共設置不予登機，若是著愛單獨紮入著愛經過海運，而且直接區域報關

外部連結

• 鋰離子電池結構探秘
• （英文）開放式 kha-tá-lok-guh 計畫中和 Lithium batteries 相關的內容
• （英文）Addressing the Impact of Temperature Extremes on Large Format Li-ion Batteries for Vehicle Applications , National Renewable Energy Laboratory , March 二千空一十三 .
• （英文）Cargo–Lithium Batteries , IATA
• 鋰離子聚合物電池爆炸視頻片段