I e- 化學電池基本原理 放電Discharge 陰極、正極 (Cathodes) 電解質 electrolytes 陽極、負極

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1 I e- 化學電池基本原理 放電Discharge 陰極、正極 (Cathodes) 電解質 electrolytes 陽極、負極
Anodes I 離子導體 ← M+ 還原 M++e-→ M 氧化 M → M++e- e- 負載 (Load) Zn-Cu電池

2 電池的歷史 電池的發現主要歸於1800年左右，1791年 Alessandro Volta 發現將鋅片和銀片藉由浸泡海水或鹽水的棉紙隔開竟能形成電流。稱為伏打電堆。 若將乾淨的鋅片和銀片分別含在舌頭的上下端，由於唾液也有酸性（猶如電解液)也會產生輸出電壓，於是舌頭會感覺到微弱電流的通過。 事實上只要在兩種不同金屬間以電解液接通便會產生不同的電位差。 鋅銅電池，有時也根據其發明者的名字約翰·弗雷德里克·丹尼爾而稱為丹尼爾電池(1836)。這是一種以鋅為負極，銅為正極的蓄電池，其化學反應式如下： Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s) 第一個伏打電池 伏打電堆由很多個單元堆積而成，每一單元有鋅板與銅板各一，其中夾著浸有鹽水的布或紙板以作為電解質。 鋅銅電池 水果電池：鋅、銅片

3 Johann Ritter 則於1802年發現可以重複充電的電池製作。 然而最初的電池都仍不理想，經過不斷改進直到1860年左右， 開始發展出現代電池的鼻祖。 首先George Leclanche 於1860年發展出碳鋅電池。這種電池更容易製造， 且最初潮濕水性的電解液逐漸用黏濁狀類似糨糊的方式取代， 於是裝在容器內時，『乾』性的電池出現了，也就是『乾電池』的始祖。 碳鋅電池仍舊是現代乾電池中產量最多的電池。一般乾電池為電容量較小的碳鋅電池，保存期限約為兩年，就算放置不用，在攝氏21度的正常室溫下每年也會流失15%的電力，如果在攝氏0度以下使用，電力也會快速流失，因此只適用於時鐘、熱水器、遙控器等小電流電器。「勒克朗謝電池」 法國科學家「勒克朗謝電池」以鋅為負極，以二氧化錳為正極，以「氯化銨」為電解液，成功地研發出現代的錳乾電池原型。正極使用碳棒是為了聚集電子，二氧化錳是促使氫氣轉換成水的「去極劑」，故使用時不會產生氫氣。 碳鋅電池的橫截面。1：金屬帽（+），2：石墨棒（正極），3：鋅外殼（負極），4：二氧化錳，5：潮濕的氯化銨糊狀液體（電解質），6：金屬末端（-）

4 1860年 Raymond 發展出鉛酸性電池，利用兩個薄鉛片以橡膠片隔開， 然後浸於稀釋的硫酸中。最初的電容量很小， 後來改用氧化鉛使得反應更迅速且更有效率。 仍是汽車使用的最主要電池。也佔世界上電池銷售的60%。 近年來更有密封的鉛電池更方便使用。 不僅經濟（便宜）且能夠適應於不同環境。 鉛電池的正極 氧化鉛PbO2反應成為硫酸鉛PbSO4，在負極則是將 鉛 也是反應形成 硫酸鉛PbSO4電解液則是稀釋的硫酸。一般的鉛酸電池由 6 個槽組成，每一個槽的電壓約為 2 伏特，串聯後總電壓約為 12 伏特。 正極： 負極: 反應：

5 鹼性電池（Alkaline battery），是指使用鋅跟二氧化錳之間的化學反應而產生電能的電池，可以是原電池或蓄電池。一般鹼性電池使用的電解液是鹼性，因而得名為鹼性電池。鹼性乾電池和碳鋅乾電池正好相反，鋅位於中央部位，外側包裹著二氧化錳。它以二氧化錳為電池的陰極、鋅為陽極，氫氧化鉀水溶液作為電解液。在1950年代，工作於美國公司勁量的Lewis Urry發明了鹼性乾電池，並在1957年註冊了專利。鹼性電池的容量比碳性電池為高，原因是由粉狀的鋅作負極(陽極)，可以增加接觸面積，從而增加輸出電流。而用作陰極的二氧化錳有較高的純度同密度，內部零件體積較細（例如電極），也讓出空間，有助增加容量，總的來說比碳性電池多3至5倍容量。 化學方程式如下： Zn (s) + 2OH− (aq) → ZnO (s) + H2O (l) + 2e− 2MnO2 (s) + H2O (l) + 2e− →Mn2O3 (s) + 2OH− (aq) 但鹼性電池的容量會隨輸出電流增加而變小， 例如同一枚電池可以在低輸出電流時有3000mAh的 容量，但當用在取1A電流的負載時，容量只會得700 mAh，小於原來的1/4。 單一鹼性電池的電動勢一般是1.5V，但隨不同的 二氧化錳及鋅氧化物會使電壓在1.5V至1.65V之間變 化。當接上負載後，隨輸出電流的增加電壓會下降，在一般負載下電壓會降至約在1.1V至1.3V之間。 鹼性電池所能輸出的電流比碳性電池大，卻比一般蓄電池細。過大的電流會使電池在放電的過程加熱升溫，一般AA電可以輸出700mA電流也不至明顯升溫，較大型號的C、D電可承受更大的升溫。

6 使用同型號、同電量的電池當用多於一枚電池時，應使用同型號，甚至同牌子的電池；新舊電池應避免混在一起使用。否則會增加漏出電解液的風險。
使用上需注意漏出電解液，長期放置的鹼性電池會漏出電解液，由於電解液是帶有腐蝕性的鹼性物質氫氧化鉀，對眼睛、呼吸導及皮膚會有刺激作用；電解液也會侵蝕金屬、破壞電子零件，因此電池漏出的電解液也會破壞使用該電池的產品，特別是電子產品。 不可對鹼性電池充電對鹼性電池充電也會使電池漏出電解液，甚或使電池破裂。極小數的鹼性電池被設計成可以充電，但只可用相當細的電流充電，往往要一整日或更多時間才能充電，而且可再充電的次數不多，因此相當不便，所以已經很難在市場上找到。也有些充電機聲稱可以為普通一般的一次性鹼性電池充電，但此類產品並不能對所充電完畢的電池的效能作出保證。 使用同型號、同電量的電池當用多於一枚電池時，應使用同型號，甚至同牌子的電池；新舊電池應避免混在一起使用。否則會增加漏出電解液的風險。 不使用時需另作存放當用不使用用電池的裝置時，應把電池取出，另作存放，避免存放過久而電解液漏出時損壞用電池的裝置。1996年前生產的鹼性電池可能含有微量水銀，現在的鹼性電池已能做到不含水銀。在一些地區可以隨意棄置鹼性電池，也有些地區不可。由於鹼性電池多是一次性使用，所以相對新一代的蓄電池（例如鎳氫電池）較不環保。 KODAK 鹼性電池規格 電壓: 1.5 伏，使用溫度範圍-20°C to +54°C 儲存溫度+10°C to +25°C 型號 AAA(mAh) AA(mAh) C(mAh) D(mAh) 電量 1250 at 75Ω 2900 at 75Ω 8400 at 39Ω 19500 at 39Ω 內阻(Ω) 0.14 0.10 0.1 0.08

7 水銀電池（Mercury Battery） 水銀或稱汞電池，形狀大小如一般的鈕扣，因此又稱鈕扣電池。它屬於不可充電的一次化學電池。雖說早在100年前便已熟知的氧化汞-鋅電池系統，但一直未被廣泛使用。1942年由Duracell電池的創立者，Samuel Ruben與Mallory公司於二次大戰期間共同開發出第一個放電平穩的水銀電池。初期只使用在金屬探測器、軍需品與軍用無線電的手提電話等軍事用途上，到了戰後才逐漸被民間廣泛地使用，例如小型的電子裝置如心律調整器。水銀電池壽命可長達十年之久，電壓約維持在1.35伏特。大多數電池的電位會隨電池放電而下降，尤其是到使用壽命的末期時這個現象會特別明顯，而水銀電池即使是在電池壽命即將終了之時，仍可保有穩定之電壓。但因其價格較高，且含汞，有環境汙染的問題，目前已減少使用，甚至有些國家已禁用。 水銀電池的陽極是由90%鋅粉與10%汞所組成，陰極則由純的氧化汞（mercury(II) oxide）或由氧化汞與氧化錳（manganese(II) oxide）的混合物所構成。氧化汞是非導體，所以會在陰極參雜一些石墨以利導電，另外石墨的參雜也可防止汞聚集成較大的顆粒。電池的陰陽兩極則由一層紙張或是其他浸泡在電解質中的孔洞材料，將其分開，所使用的電解質為氫氧化鈉或氫氧化鉀。在放電時，鋅被氧化成氧化鋅(zinc oxide)，氧化汞則被還原成汞元素。 陽極反應： Zn(s) + 2OH- (aq) → ZnO(s) + H2O(l) + 2e- 陰極反應：HgO(s) + H2O(l) + 2e- → 2Hg(l) + 2OH- (aq) 總反應：Zn(s) + HgO(s) → ZnO(s) + Hg(l) 有時電池內會多放入一些小量的氧化汞，其目在防止於電池壽命末期有氫氣釋出之虞。因汞對環境的汙染，所以後來的鈕扣電池的陰極由氧化銀（silver(I) oxide）來替代氧化汞，其電池反應式如下： Zn + Ag2O → ZnO + 2Ag (電解質：NaOH或KOH) 銀電池（silver oxide battery 或 silver–zinc battery）放電所產生的電壓約為1.5伏特。因體積小，輕便，放電穩定，可長時間使用，且可存放一段長時間。因此常用於細小的儀器上，如石英錶，計算機，助聽器…等。

8 Data Sheet for a Silver Battery

9 鋅空氣電池(Zinc-air battery)是一類結構特殊的品種。陽極採用了鋅合金。而陰極材料，則是空氣中的氧。在儲存時一般保持密封，所以基本上沒有自放電。又稱鋅氧電池，有時也被稱為鋅空電池。陰極端為成糊狀的鋅粉，起催化作用的碳在陰極。電池殼體上的孔可讓空氣中的氧進入腔體附著在陰極的碳上。同時，陽極的鋅被氧化，這與小型銀氧或汞氧電池的化學反應類似。 陽極――是鋅粉和電解液的混合物，成糊狀；Zn + 2OH– → ZnO + H2O + 2e– 陰極 ――是起催化作用的碳從空氣中吸收氧；O2 + 2H2O + 4e– → 4OH– 綜合： 2Zn + O2→ 2ZnO 電解液―― 高濃度的氫氧化鉀水溶液。 隔離層――用於隔離兩級間固體粉粒的移動。 絕緣和密封襯墊―― 尼龍材料。 電池外表面―― 鎳金屬外殼，具有良好的防腐性的導體。 通常這種反映產生的電壓是1.4伏，但放電電流和放電深度可引起電壓變化。空氣必須能不間斷地進入到陰極，在陰極殼體上開有小孔以便氧氣源源不斷地進入才能使電池產生化學反應。 鋅空電池保存的關鍵在封條，除非電池準備立刻使用，否則不能取下電池正極封條。模擬試驗表明，在室溫條件下，存放一年後電量下降到95％，存放兩年後電量下降到90％，存放四年後電量仍有85％。撕下封條後，電池被激活並開始工作，在室溫環境並不接負載時，根據不同的電池大小規格，3到12周後電池電量下降50%，超過20周電量下降到0-10％。因此鋅空電池適用於在很少幾周內耗用完電池的場合。如果一旦鋅空電池的封條被撕下，空氣就進入內部激活電化學反應，此時即使再貼上封條，電化學反應也會繼續下去直到電量耗盡。 由於鋅空電池內部含有高濃度的電解質（氫氧化鉀，具有強鹼性，強腐蝕性），一旦發生滲漏，將腐蝕電池附近部件，而且這種腐蝕可能是不可修復的，致命的。而且電池上有孔，電池在激活使用後存放時間又很短，所以鋅空電池較易發生電池漏液。使用鋅空電池的場合要及時更換耗盡的電池，經常檢查電池狀況，較長時間不用時取出電池。

10 勁量鋅空氣 (Energizer® Zinc Air)方型電池
防滲漏層 鋅粉 隔離層 絕緣和 密封層 探 粉 氣 孔 陰 極 陽 極 勁量鋅空氣 (Energizer® Zinc Air)方型電池

11 Energizer® Zinc Air Data Sheet
可用於電動車“只要使用鋅-空氣電池,它的體積重量不大,發電效慮高,免充電一顆10公斤重的鋅空氣電池,內含5至10片左右的電池板,電能就有1.5KWH,一般轎車只要裝3到4顆,就可以用平均60公里的時速行駛200公里,一顆成本幾千元而已,用鋅空氣電池的電動車售價絕對可以平易近人.”

12 January 04, 20的文章 Zinc air batteries and other potentials batteries for grids EOS Energy Storage of Easton, Pennsylvania, is developing a high-energy rechargeable zinc-air battery for use in the grid. It’s expected to store three times the energy of lithium-ion batteries for half the cost. Initial manufacturing is expected next year with megawatt-scale systems delivery is anticipated for 2013. * Most cycles ever realized by metal-air battery over 2000 battery cycles demonstrated to date with no physical degradation * Proprietary innovations overcome historical limitations to electric rechargeability of zinc-air batteries * Safe, non-toxic, stable electrolyte and materials, safe and self-healing battery operation * Low cost per kWh, due to low cost materials, architecture, and manufacturing methods

13 鎳氫電池（Nickel-metal Hydride Battery)的縮寫為NiMH，以吸附式氫氣合金電極為陽極，取代鎳鎘電池中的鎘金屬，如同鎳鎘電池，其陰極電極為氫氧化亞鎳（Nickel oxyhydroxide；NiOOH）。由於此合金可吸收高達本身體積100倍的氫，儲存能力極強。和鎳鎘電池相比，兩者皆為1.2伏特電壓；鎳氫電池的電池容量（Capacity）約為鎳鎘電池的2-3倍，具低記憶效應*與高自放電（Self-discharge）特性，可在一小時內再充電，內阻較低，一般可進行500次至1000次的充放電循環。但是與鋰電池比較，鎳氫電池的體積能量密度較低，行放電較高，且較高的記憶效應。因為鎳氫電池不含鎘，並且無鎘重金屬污染之虞，被譽為最環保的電池。 鎳氫電池的放電反應式如下： 陽極反應： MH(s) + OH－(aq)→H2O(l) + M(s) + e－ 陰極反應： NiO(OH)(s) + H2O(l) + e－→ Ni(OH)2(s) + OH－(aq) 總反應：MH(s) + NiO(OH)(s) → M(s) + Ni(OH)2(s) 充電反應和方程式與放電反應相反。鎳氫電池中，反應式中的「M」實際上是介金屬化合物（Intermetallic compound）。許多種類的介金屬化合物都已被運用在鎳氫電池的製造上，它們主要分為兩大類。最常見的是AB5一類，A是稀土元素－鑭（La）、鈰（Ce）、鏷（Pr）、銣（Nd）的混合物；B則是鎳（Ni）、鈷（Co）、錳（Mn)，鋁（Al）。而一些高容量電池的陰極板材質則主要由AB2構成，這裏的A則是鈦（Ti）或者釩（V），B則是鋯（Zr）或鎳（Ni），再加上一些鉻（Cr）、鈷（Co）、鐵（Fe）和（或）錳（Mn）。所有這些化合物可以反應形成金屬氫化物（Metal hydride），也可進行逆反應還原回金屬。 *電池記憶效應 鎳鎘電池是記憶效應最強的電池。當電池每次充電時，在負極有氫氧化鎘與電極作用，產生金屬鎘沈積於負電極表面，放電時，負電極表面的金屬鎘反應形成氫氧化鎘，這是溶解－沈積的反應；當充放電不完全時，電極內的鎘金屬會慢慢地產生大結晶體而使以後的化學反應受到阻礙，導致電容量在實質的表現上減少，此即所謂記憶效應。鎳鎘電池因具有強烈的記憶效應，很容易因充放電不良，而造成可用容量降低，須約在使用十次後，做一次完全充放電，若已有記憶效應時，則可以連續做三次至五次完全充放電來釋放記憶。鎳氫電池因記憶效應較弱，因此約在使用過約二十次～五十次時，做一次完全充放電即可。而鋰電池沒有記憶效應

14 儲存溫度-20°C to +30°C ，充電溫度. 0°C to +40°C
鎳氫電池具有較高的自放電特性（self-discharge），所謂的自放電特性是指電池一陣子不用時，因空氣中微量導電因子（如水+二氧化碳）也會造成電池電力的流失；鎳氫電池的自放電率為30%，比鎳鎘電池每月20%的自放電速率高。電池充得越滿，自放電速率就越高。因此當我們使用出廠已有一段時間的鎳氫電池，會發現電量已經衰減大半甚至全部消失。在2005年製造商推出宣稱在20°C室溫存放一年後仍可保存70至85%電量的低自放電效應鎳氫電池(由日本的三洋成功研發並推出市面，該產品稱為Eneloop)，而且此新型電池未用完的電池電量，可利用充電器中的完全放電功能，將其剩餘電量完全放出再進行充電，降低電池的記憶效應，保持電池最佳狀態及延長電池使用年限。這種改良後的特性使鎳氫電池可以用於需要長期處於備用狀態的場合，例如備用照明電源，電子產品的紅外線搖控器電源等。 KODAK 鎳氫電池規格 電壓: 1.2 伏，使用溫度範圍 0°C to +50°C 儲存溫度-20°C to +30°C ，充電溫度. 0°C to +40°C 型號 AAA(mAh) AA(mAh) 電量 900 2600 內阻(Ω) 0.02 充電條件 90 mA for 16h 260 mA for 16h 放電 1.6 A Continuous to 1.0 V 4.8 A Continuous to 1.0 V 充電次數 Up to 500 Up to 400

15 SANYO eneloop lite HR-3UQ 鎳氫電池規格 電壓: 1.2 伏，使用溫度範圍 0°C to +50°C
儲存溫度-20°C to +40°C (90天)， -20°C to +30°C (1年) 充電溫度 0°C to +40°C 型號 AA 電量(mAh) 一般1000，最少950 充放電次數 2000 內阻(Ω) 0.025 充電條件 1000 mA ×1.1h

16 第一代eneloop 第一代eneloop在2006年推出，可充放電次數約為1000次，漏電低至1年後留有80%電量，最低工作溫度低至-10℃，出廠前預先以傳統電源充電。 電池容量：AA電容量為2000mAh ， AAA電容量為800mAh 。 此型號現已停產。 第二代eneloop 第二代eneloop 可充放電次數增加至1500次，漏電進一步降低至3年後留有75%電量，最低工作溫度也改進低至-20℃，出廠前預先以由太陽能取得的電源充電。容量與第一代相同。 eneloop Lite eneloop Lite 專設計給低耗電量的情況使用（例如家庭電器的紅外線搖控器、室內無線電話等），可充放電次數增加至2000次，容量小於第一代，漏電特性及最低工作溫度與第二代相同：3年後留有75%電量、-20℃，出廠前預先以由太陽能取得的電源充電。 電池容量：AA電容量為1000mAh ， AAA電容量為600mAh 雖然容量減少，但可充放電次數增加，得出更長的電池壽命，所以用在低耗電產品中會較廉而，而且也更環保。 XX powered by eneloop XX powered by eneloop 專設計給中高耗電量的情況使用，可充放電次數只有至500次，但電量就有所增加，漏電特性及最低工作溫度與第二代相同：1年後留有75%電量、-20℃，出廠前預先以由太陽能取得的電源充電。 電池容量：AA電容量為2500mAh

17 瑞璟實業有限公司鎳氫電池規格 SIZE NOMINAL VOLTAGE NOMINAL CAPACITY DIMENSIONS (mm)
TOLERANCE+/-/0.5mm WEIGHT (g) STANDARD CHARGE QUICK CHARGE MR9000D D 1.2 V 9000 mAh 32.2 (D) x 61.3 (H) 160 900 mAh x15-16 hrs 2700 mA x 5 hrs MR3200C C 3200 mAh 25.3 (D) x 49.0 (H) 78 320 mAh x15-16 hrs 960 mA x 5 hrs MR2200C 2200 mAh 70 220 mAh x15-16 hrs 660 mA x 5 hrs MR2200SC SC 22.1 (D) x 42.0 (H) 52 MR1000AAS 4/5AA 1000 mAh 14.1 (D) x 39.6 (H) 21 100 mAh x15-16 hrs 1000 mA x 1.5 hrs MR570AAS 2/3AA 570 mAh 14.1 (D) x 28.0 (H) 14 57 mAh x15-16 hrs 570 mA x 1.5 hrs MR400AAS 400 mAh 12 40 mAh x15-16 hrs 400 mA x 1.5 hrs MR2200AA AA 14.1 (D) x 48.0 (H) 26 2200 mA x 1.5 hrs MR2000AA 2000 mAh 200 mAh x15-16 hrs 2000 mA x 1.5 hrs MR1800AA 1800 mAh 180 mAh x15-16 hrs 1800 mA x 1.5 hrs MR1600AA 1600 mAh 160 mAh x15-16 hrs 1600 mA x 1.5 hrs MR1300AA 1300 mAh 130 mAh x15-16 hrs 1300 mA x 1.5 hrs MR1200AA 1200 mAh 120 mAh x15-16 hrs 1200 mA x 1.5 hrs MR1100AA 1100 mAh 24 110 mAh x15-16 hrs 1100 mA x 1.5 hrs MR1000AA MR650AAAL 5/4AAAL 650 mAh 14.1 (D) x 50.0 (H) 65 mAh x15-16 hrs 650 mA x 1.5 hrs MR550AAA AAA 550 mAh 14.1 (D) x 42.8 (H) 55 mAh x15-16 hrs 550 mA x 1.5 hrs MR500AAA 500 mAh 50 mAh x15-16 hrs 500 mA x 1.5 hrs NV6F22 6F22 8.4V 160mAh 16.5 (W)x25.6(L)x48.0(H) 39 16 mAh x10 hrs 180 mAh x1 hrs 180mAh 18 mAh x10 hrs

18 TRICKLE CHARGE CURRENT (mA)
瑞璟實業有限公司 鎳氫鈕釦型充電電池規格一覽表 MODELS NUMBER NOMINAL VOLTAGE CAPACITY (mAh) CHARGE CURRENT (mA) TRICKLE CHARGE CURRENT (mA) H320BC 1.2 320 33 10 H260BC 260 23 7 H120BC 120 16 5 H100BC 100 11 3.3 H60BC 60 8 2.5 H30BC 30 4 H12BC 12 1.5 0.5 Trickle Charge細流充電 是電池充電裡的一個專有名詞， 就是用較小的電流去充電的意思， 為了保護電池的壽命， 當電池的電壓很低時， 會先以較小的電流去充電。

19 ENERGIZER NH15-2300 AA Classification: Rechargeable
Chemical System: Nickel-Metal Hydride (NiMH)鎳氫電池 Nominal Voltage: 1.2 Volts Rated Capacity: 2300 mAh* at 21°C * Based on 460 mA (0.2C rate) continuous discharge to 1.0 volts. Internal Resistance: Cell charged : 30 milliohms Cell ½ Discharged: 40 milliohms Operating and Storage Temperatures Charge :0 ~ 40ºC Discharge: 0 ~ 50ºC Storage: -20 ~ to 30ºC Humidity: 65±20% C : Charge or discharge rate. A charge or discharge rate equal to the capacity of a battery in one hour. For a 2.3Ah battery, 1 C = 2.3A. A charge rate of C/2 = 1.15A would need two hours, and a charge rate of 2C = 4.6A would need 30 minutes to fully charge the battery from an empty state, if supported by the battery. This also assumes that the battery is 100% efficient at absorbing the charge.

20 輕型電動車的鎳氫電池  10C, 60amp大電流放電高功率鎳氫電池 Hi-Rate Discharge
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Cap% 10C, 60amp大電流放電高功率鎳氫電池  1.2V 1.5V 1.4V 1.3V 1.1V 1.0V 0.9V 0.8V Charge rate is often denoted as C or C-rate and signifies a charge or discharge rate equal to the capacity of a battery in one hour. For a 1.6Ah battery, C = 1.6A. A charge rate of C/2 = 0.8A would need two hours, and a charge rate of 2C = 3.2A would need 30 minutes to fully charge the battery from an empty state, if supported by the battery. This also assumes that the battery is 100% efficient at absorbing the charge.

21 鎳氫電池主要構成材料組成 主要材料 說明 正極 氫氧化鎳粉末 集電材 助導劑 粘著劑 負極 儲氫合金 集電材 粘著劑 電解液 隔離膜及密封片
〔 表二 〕鎳氫電池主要構成材料組成〔1200 mA, 1000 個, 總重量 23 kg〕 資料來源:工研院化學工業研究所 ITIS 計劃整理 鎳氫電池主要構成材料組成 主要材料 說明 正極 氫氧化鎳粉末 集電材 助導劑 粘著劑 負極 儲氫合金 集電材 粘著劑 電解液 隔離膜及密封片 罐體 粉末組成：Ni(OH)2 90%，Co(OH)2 5%，ZnO 5% 純鎳：發泡鎳網( Ni-foam )/ 纖維狀基版 CoO為主 PTFE，EPDM 等 AB5，AB2，A2B，AB系列 鍍鎳鐵網；NPPS〔 Nickel plated punchsteel 〕 Expanded foil PTFE，EPDM 等 KOH 30 %，LiOH 5 % PP 不織布，尼龍不織布 鐵鍍鎳( SPC 罐)，不鏽鋼鍍鎳

22 一次性鋰電池種類 化學成份分類 正極 電解液 負極 公稱電壓 附註 鋰-氟化石墨電池 氟化石墨 (一種氟化碳) 非水系有機電解液 鋰
一次性鋰電池的化學組成有很多種類，最常見的是鋰-二氧化錳電池，例如 CR 字頭的圓柱形鋰-二氧化錳電池，包括 CR2032、CR123A 等。 下表為一次性鋰電池的幾個主要種類與 IEC 標準代號。 一次性鋰電池種類 化學成份分類 正極 電解液 負極 公稱電壓 附註 鋰-氟化石墨電池 氟化石墨 (一種氟化碳) 非水系有機電解液 鋰 3.0V 鋰-二氧化錳電池 熱處理過的二氧化錳 高氯酸鋰非水系 有機電解液 最常見的一次性 3V 鋰電池，常簡稱鋰錳電池 鋰-亞硫醯氯電池 亞硫醯氯 四氯鋁化鋰非水系 3.6V或3.5V 鋰-硫化鐵電池 硫化鐵 1.5V 可用來替代一般1.5V鹼性電池，常簡稱鋰鐵電池 鋰-氧化銅電池 氧化銅(II)

23 二次鋰電池 鋰電池是透過鋰離子傳導，達到將化學能轉成電能的一種裝置。電池充電時，鋰離子從鋰鈷氧化物中嵌出，透過電解質的傳導，嵌入負極碳材中，電池放電時，化學反應則是逆向進行。 1.正極材料 鋰電池可依正極材料的不同，分為鋰鈷電池(LiCoO2)、鋰錳電池(LiMnO2)、鋰鎳電池(LiNiO2)及磷酸鋰鐵電池(LiFePO4)。當中鋰鈷電池以應用於手持式裝置電子產品為主，而鋰鎳電池因為安全性尚未克服，所以目前生產者以及使用者都很少，而鋰錳電池因為具有的電容量、安全…等特性，讓其目前廣泛應用在手工具當中，至於最近發展的磷酸鋰鐵電池，雖然有相當良好的安全性，且被視為應用在車輛的明日之星，不過因為燒結不易以及電動車市場未普及的問題，所以目前市場比重仍低(2009年)。主要正極材料特性的比較如表一。 目前鋰鈷系正極材料仍是主流，但是透過增加鎳、錳等元素進一步達到安全性、電容量以及成本的要求。目前針對所增加的材料不同可以分為三元系的鈷鎳錳材料，以及二元系的鋰鈷鎳材料，其中三元系的鋰鈷鎳錳基於優異的安全性可望提升整體市佔率，而電容量則是二元系材料表現較佳，待其安全性改善到一定程度，使用的比重必然會提高。所以短期間三元系材料的安全性仍然是優於二元系材料，將會漸成為市場主流，但可攜產品最終需求的仍然是電容量高的電池，所以二元系材料在克服安全性疑慮後有機會成為市場主流。 2.負極材料 早期的負極材料是使用便宜的焦碳、煤渣等經過純化及高溫石墨化後成為穩定的球型結構石墨，此材料的可逆電容量可以達到300mAh/g，不過此材料因為需要經高溫燒結以石墨化，所以材料成本並不便宜，所以也讓廠商不斷針對碳材持續改良，此外此材料的電容量也有限制，所以目前負極材料的開發是朝向低成本高容量進行發展。 目前的碳系負極材料可分為人造石墨、改質天然石墨以及MCMB(Mesocarbon Micro-beads)基於成本考量，目前以人造石墨、改質天然石墨使用的較多。至於能夠具有相當大電容量的金屬化合物，基於循環壽命以及材料膨脹比率大的缺點，所以使用情況並不多。碳系材料有其理論的電容量極限值372mAh/g，而且目前的發展已接近極限值，所以各個廠商都期望可以透過將負極材料改質成為金屬化合物，以一舉提高鋰電池的電容量。碳系以及金屬化合物的負極材料比較如表二。

24 表一　鋰電池正極材料 LiMn2O4 LiFe2PO4 表二　鋰電池負極材料

25 3.電解質 鋰電池使用的電解質可以分為三大類：液態電解質、高分子電解質以及固態電解質。液態電解質由於含有有機溶劑，使用上易有漏液以及爆炸的危險。高分子電解質含有少量或不含有機溶劑，可以提高電池的安全性，並降低漏液以及爆炸的機會。固態電解質是三種電解質中安全性最好的，但是由於為固態故離子導電度不佳。三種電解質中商品化的為液態電解質以及高分子電解質，至於固態電解質目前仍為實驗室產品，不易大量商品化。 高分子電解質一般多為膠態，可以減少漏液的情況，並且也可使用鋁箔薄膜封裝，省去了金屬外殼的重量，重量可以更輕，且可以配合可攜式裝置，外觀大小更具有彈性。 目前可攜式裝置中出貨量最大，對cell需求量最多的手機，目前已大量採用高分子電解質，至於需求量第二大的NB產品，目前約有二成的產品也已採用高分子電解質，尤其在Apple採用電池內置後，更興起系統廠採用高分子電池的興趣，未來鋰高分子的出貨量會更增加。 表三　鋰電池電解質比較

26 Maxell Model ML2032 System (Li-Al) alloy-Manganese Dioxide/Organic Electrolyte Nominal Voltage : 3V Nominal Capacity : 65mAh Nominal Discharge Current :200μA Charge/Discharge Cycle Lifetime Depth of Discharge = 10% 1,000 (6.5 mAh discharge) (total capacity 6,500 mAh) Depth of Discharge = 20% 300 (13 mAh discharge) (total capacity 3,900 mAh) Temperature Ranges : –20 ~ +60℃ Depth of discharge (DOD) =100% ( empty); =0% ( full).

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30 太陽能電池

31 染敏電池

32 材料種類 生產型式 光電能轉換效率(%) 矽 結晶矽 單晶矽(晶圓型) 15～24 多晶矽(晶圓型、薄膜型) 10～17 非晶矽 非晶矽、非晶矽/微晶細(薄膜型) 8～13 化合物 半導體 二元素 GaAs 19～32 CdTe 10～15 三元素 CuInSe2、CuInGaSe2 10～12 染料敏化型 奈米TiO2 8～11 有機半導體型 3～5