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1950年代，有人提出用鋰金屬作為電池負極，開啟了鋰電池的研發序幕。鋰的原子量只有6.94g/mole，由於質量輕， 所以理論上的比容量（Specific capacity）較大，其值為3.86A.h/g 。又因為有相當高的負電極電位（－3.045 V），使其成為高能量電池的理想負極活性物質。

高比容量及高能量密度是開發鋰電池的誘因，但鋰的化性活潑，有許多衍生問題須要解決。例如鋰和水會發生反應，從而釋出氫氣， 並轉化成氫氧化鋰（LiOH），反應式如下：

2 Li ＋ 2 H₂O → 2 LiOH ＋ H₂

因此，鋰金屬的處理必須在乾燥的空氣中進行，又由於鋰會和水反應，所以採用鋰金屬為電池的負極時，必須使用不會被鋰還原的非水溶劑，也就是須用非質子型有機溶劑。然而這些有機溶劑對鋰鹽電解質的溶解性較差，相對於水溶液型電解質，有機溶液型電解質的導電率降低相當的幅度。因應之道是採用多種溶劑組合所成的混合物，以降低溶液的黏度，提高介電常數和對鋰鹽的溶解度，從而使溶液的導電率增大。

再者，鋰金屬雖然化性活潑，可以和甚多化合物起作用，但是實驗卻顯示其在很多非水溶液電解質中，可維持穩定，這是因為在鋰表面形成鈍化膜的緣故。這層鈍化膜是鋰離子導體，而不是電子導體，所以可防止鋰和電解質進一步的反應，這即是所謂固態電解質界面模型。鈍化膜的組成隨電解質而異，其為多孔性結構，電解質可充填於其中，於是鋰離子得以方便進出其間。此項動力學上的穩定性特性，奠定鋰金屬作為電池負極材料的可行性。

電極材料的改變

基於資源可能短缺的共識及電子產品小型化的發展趨勢，二十世紀六、七十年代開始了有關於鋰二次電池的研究。最初沿襲鋰一次電池的模式，以鋰金屬為負極，但是由於鋰金屬表面並非完全平整，而有凹凸起伏，在電池充電時，鋰金屬表面的電位分布乃不均勻，於是各處鋰的沉積速率不均等，有些地方沉積速率較快，從而長出樹枝狀的鋰枝晶。有些鋰枝晶在發展過程中因故而折斷，這大大縮短電池使用壽命。又有些枝晶若持續成長，而由負極延伸到正極，將兩極連結起來，則會造成電池內部短路，這會產生很大電流，並釋出大量的熱，嚴重時會使電池著火，甚至爆炸。使用壽命及安全的考量是鋰二次電池研發首要解決的問題。

歷經約二十年的探索，終於在二十世紀九十年代初期，開發出以碳材料取代鋰金屬為負極，用鋰和過渡金屬複合氧化物為正極，採用含鋰鹽的非水溶液為電解質的鋰二次電池。碳材料沒有鋰枝晶生成的困擾，解決潛在的安全難題；又不同於傳統電池正、負極材料設計的思維，這種電池的兩極所用材料皆是具層狀結構的嵌入型化合物，在充、放電時，鋰離子乃在兩電極之間往返發生嵌入、脫出反應。由於此種特徵，這種新型鋰二次電池最初被稱為「搖椅式電池」（rocking-chair），後來才改稱作「鋰離子電池」。

鋰離子電池的原理

二次電池的本質是儲能裝置。傳統的可充電式電池在充電時，是通以和放電時方向相反的電流，使原本自發的電化學反應逆向進行，從而將電能轉換為化學能，其中各極的氧化、還原反應發生於電極和電解質的界面。鋰離子電池的操作原理略為不同，其正、負極材料為含鋰離子的層狀結構，在充、放電時，鋰離子穿梭於電池內部兩電極間，在層狀結構正、負極材料的層間發生嵌入及脫出的變化。……【更多內容請閱讀科學月刊第515期】