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，進行納米材料與應(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，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，進展較少。針對3G所強調(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。未來各種多功能的手錶（Multifunctional Watch），將具有Phone、DSC、MP3等功能，此時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。

　
(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＞
　
高容量納米負極材料
目前商品化的鋰電池負極材料，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）的市場佔有率最高約30％，其材料價格高（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極材料；然而其容量已達技術(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。目前高容量負極材料的開發(fā)，主要包括利用高能量機械合金化研磨（high-energy mechanical alloying） 技術(shù)，將金屬或合金材料進行高能量研磨，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)合負極材料，如(圖三)。
 
(圖三)　具納米氧化物鍍層之負極碳材表面結(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，仍需要進一步克服，才能夠應(yīng)用于鋰電池負極材料。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)合負極負極材料，又擁有價格低的優(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。這主要是因為靠石墨表面上的納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)型負極材料之性能與價格分析
＜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材料價格最貴，且電容量適中，已經(jīng)到達材料應(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，使得電池充放電時間縮短一半，將可應(yīng)用于對高功率電源需求強烈的產(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205Wh/Kg，電池循環(huán)壽命達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、負極材料所需之配方最適化、電池設(shè)計、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，將遠遠超過現(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，也有一個小小的液晶螢?zāi)伙@示資料，且不需要讀卡機，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薄膜電池來提供電力。目前手機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)查報告預(yù)估，全世界在2003年時，二次鋰電池的需求量達12.53億顆，較2002年的需求量（8.62億顆）成長率高達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)展前景仍然是相當看好的。因此對于鋰電池正負極材料的需求將是大增，在2003年全世界鋰電池正負極材料之需求值達200億臺幣以上。電池材料佔鋰電池成本比例高，達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。一個無法制程加工與危險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，以保障消費者之電池使用安全為境界。在應(yīng)用高容量納米級正、負極材料于納米鋰電池時，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