可攜式電子產(chǎn)品對電池輕、薄、短、小與高容量的需求越來越高，而先進(jìn)的納米科技在此一趨勢下扮演了重要角色，採用納米材料的鋰電池技術(shù)可達(dá)到高容量、高功率、高安全性的效果，在未來的市場應(yīng)用上具備深厚潛力；本文將介紹目前納米級鋰電池材料與納米級鋰電池應(yīng)用之開發(fā)進(jìn)展現(xiàn)況，為讀者深入剖析此一能源技術(shù)之未來發(fā)展趨勢。

納米科技是21世紀(jì)科技發(fā)展的重要技術(shù)領(lǐng)域，藉由納米科技將創(chuàng)造另一波技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)革命。近年來歐美日各國均投入大量人力與經(jīng)費(fèi)，進(jìn)行納米材料與應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)。納米材料應(yīng)用的范圍甚廣，包含化工、民生、消費(fèi)性電子、光學(xué)、生物、制藥、能源等產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用。根據(jù)美國市調(diào)機(jī)構(gòu)Business Communication之調(diào)查分析結(jié)果，納米材料在整體產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用上，于2005年市場需求值可達(dá)9億美元，如(圖一)。諾貝爾獎得主Dr. Smalley表示，未來五十年人類面臨十大問題中，以能源居首，能源需求量成長了3～4倍，而納米技術(shù)將可帶動納米能源的革命性發(fā)展與突破，包括納米鋰電池、太陽能電池、燃料電池、儲氫系統(tǒng)、光觸媒、光電池等等應(yīng)用。

 
(圖一)　納米材料的市場應(yīng)用分析
＜資料來源：Business Communication＞
　
本篇文章將探討納米材料在納米鋰電池之應(yīng)用為主；納米鋰電池技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)是高容量、高功率、高安全性之納米級鋰電池材料的開發(fā)與落實(shí)應(yīng)用，接下來將介紹目前納米級鋰電池材料與納米級鋰電池應(yīng)用之開發(fā)進(jìn)展現(xiàn)況。

納米鋰電池應(yīng)用
鋰二次電池雖然已廣泛使用于3C產(chǎn)品上，然而隨著筆記型電腦使用1GHz CPU而增加耗電量，以及LCD螢?zāi)怀叽缂哟?、解析度提高、使用高容量硬碟及DVD-ROM等趨勢，未來筆記型電腦整體功率消耗明顯提高，因此對鋰電池主要的技術(shù)提升需求，包括提升電池能量密度、降低重量與智慧型電源管理。未來行動電話從2G提升至3G時(shí)，不論是GSM、WCDMA等系統(tǒng)，所需要的電池能量密度都需要明顯的增加。目前薄型鋰電池系統(tǒng)的重量能量密度雖有顯著的提升，但主要是罐體外殼的輕量化，在電極材料的性能提升上，進(jìn)展較少。針對3G所強(qiáng)調(diào)的高體積能量密度＞420 Wh/L要求，目前薄型鋰電池的體積能量密度（340～360 Wh/L）仍無法符合其規(guī)格目標(biāo)。未來各種多功能的手錶（Multifunctional Watch），將具有Phone、DSC、MP3等功能，此時(shí)對能量密度高且薄型化鋰電池的需求更加迫切，另一方面3G行動電話與結(jié)合電腦、PDA、行動電話等功能的行動資訊與通訊終端產(chǎn)品（Mobile IA），將大量地被使用，對具有高能量密度的鋰電池同樣迫切需求，如(圖二)。因此開發(fā)高容量及高功率的納米級鋰電池材料，并應(yīng)用于新世代的納米鋰電池上，是全世界鋰電池業(yè)者目前最重要需突破的目標(biāo)。

　
(圖二)　3G行動電話對電池能量密度的規(guī)格需求
＜資料來源：IIT、工研院材料所＞
　
高容量納米負(fù)極材料
目前商品化的鋰電池負(fù)極材料，主要種類包括石墨化碳、人工石墨、硬碳及碳纖維等。其中石墨化碳（如介穩(wěn)定相碳狀碳）的市場佔(zhàn)有率最高約30％，其材料價(jià)格高（每公斤30～32美金）、容量適中、壽命佳，目前被大量使用于鋰電池負(fù)極材料；然而其容量已達(dá)技術(shù)極限，非得使用更高容量的石墨碳材或合金材料，才能獲得高能量密度的鋰電池。目前高容量負(fù)極材料的開發(fā)，主要包括利用高能量機(jī)械合金化研磨（high-energy mechanical alloying） 技術(shù)，將金屬或合金材料進(jìn)行高能量研磨，以獲得納米結(jié)構(gòu)金屬或合金材料；或?qū)⑻挤郾砻驽兩弦粚蛹{米氧化物及合金材料，以形成納米復(fù)合負(fù)極材料，如(圖三)。
 
(圖三)　具納米氧化物鍍層之負(fù)極碳材表面結(jié)構(gòu)圖
＜資料來源：工研院材料所＞
　
其中，經(jīng)由高能量研磨的納米合金粉體（SnSb, LiSnM alloy, LiM alloy, M=Al, Fe, Si, In），雖然具有一些延性納米結(jié)構(gòu)組織（ductile structure），可以防止合金材料在鋰離子的充放電測試中，所造成之合金膨脹與碎裂，提高了材料的壽命；然而不可逆容量太高及材料導(dǎo)電度低，仍需要進(jìn)一步克服，才能夠應(yīng)用于鋰電池負(fù)極材料。而利用納米表面改質(zhì)技術(shù)，將納米氧化物或納米合金，在碳材表面所形成的納米復(fù)合負(fù)極材料，除了具有較高的電容量（＞420mAh/g），約較傳統(tǒng)碳（320mAh/g）的電容量高出40％，如(圖四)。這種納米改質(zhì)的納米復(fù)合負(fù)極負(fù)極材料，又擁有價(jià)格低的優(yōu)勢，未來是具有市場競爭力，如(表一)；將此技術(shù)應(yīng)用于石墨負(fù)極材料，更可以大大提升石墨在PC-based電解液系統(tǒng)的壽命。這主要是因?yàn)榭渴砻嫔系募{米鍍層可以防止石墨層表面與電解液的反應(yīng)，而抑制石墨層的膨脹與剝離，并使電池的容量與壽命延長。
　
 
(圖四)　具納米氧化物及合金鍍層之負(fù)極碳材電化學(xué)特性
＜資料來源：工研院材料所＞
　
(表一)　納米改質(zhì)型負(fù)極材料之性能與價(jià)格分析
＜資料來源：工研院材料所＞
　
高性能納米正極材料
鋰電池正極材料不但影響電池性能，也是決定電池安全性的重要因素。因此好的鋰離子電池正極材料，除了克電容量要高以外，最重要是材料熱穩(wěn)定性佳，即材料安全性優(yōu)，才能被應(yīng)用于正極材料。鋰離子電池若以正極材料來區(qū)分，主要包括鋰鈷（LiCoO2）、鋰鎳鈷（LiNiCoO2）、鋰鎳（LiNiO2）及鋰錳（LiMn2O4）四大系統(tǒng)。雖然LiNiO2電容量最高，但安全性差，目前無法使用；LiCoO2材料價(jià)格最貴，且電容量適中，已經(jīng)到達(dá)材料應(yīng)用極限；LiMn2O4材料最便宜，但電容量偏低且高溫循環(huán)壽命差，只有少量商品化電池使用；而LiNiCoO2 材料價(jià)格適中，電容量高，但由于安全性顧慮，目前只有少量商品化電池使用此類正極材料。

LiCoO2材料雖然是目前市場主流，性能提昇已達(dá)極限，已經(jīng)無法符合未來3G行動電話對高能量密度鋰電池的需求。而LiNiCoO2材料將會是未來市場主流，因此如何提高鋰鎳鈷材料的安全性是未來高容量鋰電池的關(guān)鍵，藉由納米化的表面處理，將可獲得低的放熱熱焓＜100 J/g （未改質(zhì)LiNiCoO2材料放熱熱焓＞350 J/g，商品LiCoO2材料放熱熱焓約120 J/g），使得鋰鎳鈷材料的安全性大大提升。利用納米金屬氧化物鍍層表面處理后的鋰鎳鈷正極材料，不但可獲得高電容量（≧180 mAh/g），且材料安全性高（DSC放熱量與鋰鈷材料一樣），(圖五)為鋰鎳鈷材料之納米氧化物鍍層TEM結(jié)構(gòu)圖，(圖六)為鋰鎳鈷材料經(jīng)由納米氧化物鍍層表面處理后之DSC放熱圖。另一方面將材料制作成具有超晶粒納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之球狀材料構(gòu)造,材料外觀為一次粒徑為200～400nm，二次粒徑為5～7μm大小之結(jié)構(gòu)，如(圖七)為納米結(jié)構(gòu)鋰鎳鈷材料之SEM圖。此納米結(jié)構(gòu)大大增加鋰鎳鈷正極材料之大電流充放電力（從2C rate提高至5C rate）。由于此材料的大電流充放電能力提升一倍，使得電池充放電時(shí)間縮短一半，將可應(yīng)用于對高功率電源需求強(qiáng)烈的產(chǎn)品上（如電動工具及電動車輛）；(圖八)為鋰鎳鈷材料大電流充放電能力測試圖。
　
(圖五)　鋰鎳鈷材料之納米氧化物鍍層TEM結(jié)構(gòu)圖
資料來源：工研院材料所
　
 
(圖六)　鋰鎳鈷材料經(jīng)由納米氧化物鍍層表面處理后之DSC放熱圖
＜資料來源：工研院材料所＞
　
(圖七)　納米結(jié)構(gòu)鋰鎳鈷材料之SEM圖
＜資料來源：工研院材料所＞
　
(圖八)　納米結(jié)構(gòu)鋰鎳鈷材料之充放電圖
＜資料來源：工研院材料所＞
　
高容量納米鋰電池技術(shù)
目前商品化的鋰電池所能提供的電池重量能量密度約175Wh/Kg，隨著各種可攜式電子產(chǎn)品對電源需求的增加，對于納米鋰電池的需求，將非常迫切。將高容量納米正、負(fù)極材料組合搭配起來所行成的高容量納米鋰電池，材料系統(tǒng)包括納米復(fù)合負(fù)極材料與納米結(jié)構(gòu)鋰鎳鈷正極材料，初步電池重量能量密度高達(dá)205Wh/Kg，電池循環(huán)壽命達(dá)400次以上，并通過壓碎、穿釘、過充電等安全測試，如(圖九)為工研院材料所開發(fā)之高容量納米鋰電池外觀與循環(huán)壽命圖。隨著搭配高容量納米正、負(fù)極材料所需之配方最適化、電池設(shè)計(jì)、納米鋰電池制程的開發(fā)與成熟，未來納米鋰電池性能將可提升至250Wh/Kg，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有鋰電池性能。
　
(圖九)　高容量納米鋰電池外觀與與循環(huán)壽命圖
＜資料來源：工研院材料所＞
　
薄膜鋰電池應(yīng)用
現(xiàn)代人皮夾內(nèi)的卡片眾多，舉凡電話卡、車票卡、提款卡、信用卡、健?？?、貴賓卡、借書卡等等，不下十張卡片。未來是否有一張智慧的IC卡，可以採互動方式安全地取代所有卡片。這種互動式的IC智慧卡，宛如一個(gè)小型的電腦系統(tǒng)，不僅有簡單的鍵盤可以輸入資料，也有一個(gè)小小的液晶螢?zāi)伙@示資料，且不需要讀卡機(jī)，持卡人就可以直接由卡片上的液晶螢?zāi)粊碜x取卡片上的資料，因此此卡片需要有一個(gè)薄膜電池來提供電力。目前手機(jī)用的最薄型的高分子鋰電池約3.8mm，而智慧IC卡所需的電池厚度則低于0.2mm，如(圖十)。此種電池除了電容量需要15～20mAh外，其電流放電率仍需達(dá)C/5以上，因此需要利用特別的極板制作、電池封裝技術(shù)，可藉由納米纖維材料的制作技術(shù)來獲得高容量且大電流放電率佳的超薄電池極板（單層極板厚度≦30(m）。(圖十一)為納米氧化物纖維材料之SEM表面結(jié)構(gòu)圖，(圖十二)為納米氧化物材料之大電流放電圖。
　
(圖十)　智慧IC卡與薄膜電池之結(jié)構(gòu)示意圖
＜資料來源：工研院材料所＞
　
(圖十一)　納米氧化物纖維材料之SEM表面結(jié)構(gòu)圖
＜資料來源：工研院材料所＞
　
(圖十二)　納米氧化物纖維材料之大電流充放電圖
資料來源：工研院材料所
　
納米鋰電池技術(shù)研發(fā)瓶頸
根據(jù)日本IIT總合研究所2003年調(diào)查報(bào)告預(yù)估，全世界在2003年時(shí)，二次鋰電池的需求量達(dá)12.53億顆，較2002年的需求量（8.62億顆）成長率高達(dá)45.3％，可看出二次鋰電池產(chǎn)業(yè)的重要性，且未來需求及發(fā)展前景仍然是相當(dāng)看好的。因此對于鋰電池正負(fù)極材料的需求將是大增，在2003年全世界鋰電池正負(fù)極材料之需求值達(dá)200億臺幣以上。電池材料佔(zhàn)鋰電池成本比例高，達(dá)30～40％以上，也是影響電池性能與安全最關(guān)鍵的材料。因此，開發(fā)高容量納米級鋰電池材料，以應(yīng)用于納米鋰電池技術(shù)上，是目前全世界納米鋰電池技術(shù)，最需要突破的瓶頸。納米鋰電池強(qiáng)調(diào)的是高能量密度、高功率、高安全性，而最關(guān)鍵的是納米鋰電池材料，則包括高容量納米級正、負(fù)極材料與高安全性與高導(dǎo)電度之電解質(zhì)材料。納米級電池材料在納米鋰電池的時(shí)際應(yīng)用需要考慮的特性，包括材料電化學(xué)性質(zhì)、制程加工性、安全性等等。高能量與高容量特性要求，另一方面，也代表著危險(xiǎn)性的提高。因此，如何具有高能量密度、高功率特性，又兼顧高安全性，是開發(fā)納米鋰電池最重要的研發(fā)目標(biāo)。一個(gè)無法制程加工與危險(xiǎn)性大之高容量納米電極材料，對納米鋰電池是沒有意義的。畢竟，電池特性是需要在最安全的設(shè)計(jì)狀況下，所能獲得的最高性能為主，才能夠作為系統(tǒng)產(chǎn)品之可攜式電源，以保障消費(fèi)者之電池使用安全為境界。在應(yīng)用高容量納米級正、負(fù)極材料于納米鋰電池時(shí)，除了開發(fā)材料的應(yīng)用制程（粉體及漿料分散）技術(shù)外，也應(yīng)同步開更為高安全性之電解質(zhì)材料，以獲得高安全性之納米鋰電池。  結(jié)語──納米鋰電池