我的電子情人夢(6) – 鋰離子電池的武林外史

2019年諾貝爾化學獎，頒給鋰離子電池發展所做出貢獻的三人。而鋰離子電池早已是我們日常生活的小物。

日本是諾貝爾獎得主的常勝軍，從千禧年以來幾乎年年得獎；包含2019年化學獎共有27人。而拿到諾貝爾化學獎的日本人共有8位。

2002年諾貝爾化學獎日本人得主- 田中耕一，可說是日本企業最底層的諾貝爾化學獎得主，也是辛勞上班族的諾貝爾奇蹟。聽說，他在學校就學時，總是悶著頭做自己的事，成績也不好，畢業後應徵SONY還遭淘汰，後來到島津製作所就職，待了二十幾年，職位也僅是個位層不高的技術部主任。不跟人應酬，也不參加升級考試，只是專心地做研究，還老是做些沒有常識、別人不做的事，也常常失敗。他與我皆是畢業於電子工程系，卻得化學獎；真是天下奇葩。

3C攜帶式產品需要電池，電動車需要電池，機器人需要電池，無人飛機也需要電池；您有想過鋼鐵人 電力哪裡來呢？機器人 Pepper的鋰電池續電力達 12 小時。

德國e-Genius電力飛機(鋰離子電池驅動)，也早已成功越過瑞士境內最高峰，航行了320公里，高度爬升到4000公尺。

當初，鋰離子電池從探索材料開始，一直到汽車的應用，足足走了半個世紀的光陰。

“ 研究摸索正負極材料、電解質、以及確認電池特性和安全性都需要花費大量的時間。”

鋰離子電池，讓鎳鎘電池(NiCd)以及鎳氫電池(NiMH)成為過去式。常用的3號與4號電池還是鎳氫電池。

鋰(lithium)，是一種金屬元素，化學符號為Li。Wh是能量的單位，W是瓦、h是小時。鋰離子電池之所以能夠稱霸世界沒有敵手，就是它的優點真的不少，比如說，能量密度高，沒有記憶效應(Memory Effect)，輕量化等。

注：能量密度(Energy Density)，乃是指電池的平均單位體積或是質量所釋放出的電能。

而它主要的缺點是它的總蓄電力，也會隨著出廠時間的增加而逐漸減少。而最受人驚駭的事件，該是鋰離子電池有會有異常過熱、爆炸發火的風險。

鋰離子電池，在邁向實用化的路途上，存在著很淒慘的過去事跡。雖然，Sony於1991年開始販賣鋰離子電池，也歷經過極為慘痛的回收教訓(該公司在世界上回收的數量超過960萬個)。夢幻客機787也曾經因為電池問題而引起一陣風波。這一點與它的化學性質息息相關；不過，一般來說優質的設計多會有內建許多自我保護的安全性機制才對。

◆. 1985年：鋰離子電池原型。

◆. 1988年：NTT的Sony製移動通信機相繼有發火事件。NTT回收移動通信機。

◆. 1991年：Sony開始販賣鋰離子充電電池。

鋰離子電池和所有的充電電池一樣，都會有一個正極和一個負極；而「電極材料」的材料科學正是扮演著關鍵性的作用。

比如說，正極材料一般多是採用鋰鈷氧(LiCoO2)，而負極材料則存在有很多的種類，好比說，石墨(碳)等。充電時，LiCoO2中的鋰離子會越游過中間的電解質，附著在負極上。而放電時的動作則是恰巧相反，從負極游回LiCoO2這一端。

從鋰離子充電電池的運用到現在，說實話並沒有甚麼極大突破性的發展。被視為性能超越鋰離子電池2倍多的”全固態充電電池”，還必須經過實際環境驗證，才能確保。

顧名思義，全固態充電電池的”電解質”會採用固體的材料，取代以往的有機電解液。有機電解液有可能會揮發，從而引發起火和爆炸的事故。而全固態充電電池的電解質就不存在有這種機會，這就是其一大特點。

全固態充電電池，以前有不少的技術課題，性能也不見得贏的過鋰離子電池。不過，多年來的技術進步，開始出現性能與鋰離子電池可以匹敵的產品。無論是性能還是價格方面，全固態充電電池很有機會將超越現有的鋰離子電池。

當前，全固態充電電池走入實用化，是電解質採用高分子樹脂（聚合物 - Polymer）膜的類型；無妨稱之為”鋰金屬聚合物電池”。而產品應用成果的顯現，就是在EV電動車。

在材料科學領域甚強的日本在全固態充電電池的開發，採取怎樣的戰略呢？基本上也是採用聚合物作為電解質。看來，東西方的基本共識差不多。

全固態充電電池的”安全性”課題，想在短時間之內徹底解明，似乎也不太可能。必須經過越多的實際環境驗證，才能確保。

此外，在日本311大震之後，加上EV時代的來到，以及綠能思維的啟迪；家庭或辦公室用途的蓄電產品，有機會創出另一個龐大的市場。

Tesla創辦人Elon Musk對媒體直說：『特斯拉的心臟就在日本！』，具體的訊息就是其電池包攬業務，係由日本百年老店松下(Panasonic)所供應。

電力(電能)有沒有機會取代掉傳統的動力來源 - 石油，而化身成為未來最重要的動力來源呢？

在充電電池的世界裡，依然存在著很多的懸疑；需要逐步來解明。