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2017-05-01免於爆炸的威脅─全固態鋰離子電池
569 期
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廖譽凱／畢業於花蓮私立四維高級中學與國立高雄師範大學物理系，現於臺灣師範大學物理系研究所就讀。胡淑芬／臺灣師範大學物理系特聘教授。劉如熹／臺灣大學化學系特聘教授。
數位時代來臨後，行動電話、筆記型電腦幾乎已成為現代人的必備設備，其中能使3C 產品進入大眾普及的關鍵，不只在於晶片做得好，電池的進步更是必備條件。為了能讓3C產品使用時間延長，科學家不停思考要如何增加電池的電容量，使 3C 產品更輕薄，即是將電池體積縮小，讓手機與筆記型電腦越來越輕、越來越薄。但在人類享受科技進步同時，卻發生了難以置信的噩耗。
2016 年，南韓三星公司發行的Samsung Galaxy Note 7發生多起爆炸事件，造成全球使用者恐慌，三星公司承認爆炸的主要原因即是因為電池設計不佳。這不禁讓大眾思考，為何每天都會使用的電池會爆炸，這樣使用手機安全嗎？科學家希望能解決安全問題，但鋰離子電池總是還有安全方面的疑慮，於是科學家提出了「固態鋰離子電池」的想法。
電池是什麼？
電池的結構為正極、電解液與負極，圖一中橘色的電極為正極（陰極），紫色的電極為負極（陽極），其中電池定義陰陽極時以放電為準。電池在放電時，陽離子由負極（陽極）經由電解液往正極（陰極）移動，電子也由負極（陽極）經由外部電路往正極（陰極）移動。以電路來說，燈泡代表電阻，電池代表電容，如果電路中沒有電阻，就會造成短路。電池內部也有電阻稱為內電阻，電池內電阻的大小也會影響電池的效率。
電池的起源最早可以追朔到1780年，由義大利的科學家伽伐尼（Luigi Aloisio Galvani）發現，他利用黃銅棒連接放置於鐵架上的蛙腿，使得蛙腿收縮，這為歷史上第一個具備電池組成要件的實驗紀錄：黃銅為正極（陰極），鐵棒為負極（陽極），蛙腿為電解質（液）。1800 年，義大利的伏打（Alessandro Volta）根據伽伐尼的實驗記錄，交錯排列銅片、鋅片與以鹽水浸濕的布料隔絕銅片與鋅片，成功做出第一顆電池。
電池發展至今分為一次電池與二次電池，一次電池組裝完成時即為充滿電的狀態，其使用後不能充電而必須丟棄。直到大家耳熟能詳的碳鋅電池被發明出後，一次電池才被大量使用。相較於一次電池，二次電池可以重複充放電，並有良好的充電可逆性，二次電池有非常多的種類，而最常使用的二次電池為鉛酸電池與鋰離子電池。鉛酸電池多用於交通工具，因鉛酸電池操作溫度廣、廉價並具備高循環壽命，但缺點為鉛具有毒性。鋰離子電池則替二次電池帶來跨世代的進步，鋰離子電池擁有高能量與功率密度、極為優秀的循環壽命與操作溫度廣的優點。目前鋰離子電池主宰所有儲能市場，平常使用的智慧型手機、手提電腦等產品大多數利用鋰離子電池為儲能設備。……【更多內容請閱讀科學月刊第569期】