輕薄背後的重量：鋰離子電池的熱失控風險與材料革新

文／左卷健男；譯／游韻馨

筆記型電腦的電池

我使用的筆記型電腦是大廠牌的，有一次筆電螢幕突然出現警示通知。

內容是「筆記型電腦的電池組可能自燃，有導致火災之虞。公司目前實施免費更換電池的服務，請使用者務必確認電池組是否安全」。

不僅如此，通知寫道「若夜間等沒人注意的時候發生自燃意外，很可能引發火災。此外，攜帶筆記型電腦乘坐交通工具時，也可能起火燃燒」。當時已經有數十起筆記型電腦起火的意外事故，於是我立刻聯絡廠商，確認我的筆記型電腦是否也需要更換電池，還好結果沒有問題。

後來廠商發現，用久劣化的電池組也可能自燃，於是通知消費者「公司提供電池診斷與控制程式，方便使用者了解電池的劣化程度，避免起火危險」。我用來撰寫本書文稿的筆記型電腦，也安裝了電池診斷程式。

頻頻發生的鋰離子電池起火

鋰離子電池（充電電池）的缺點是，容易因高溫引發熱失控，在充飽電時如果持續充電，很快就會劣化。過度充電可能導致鋰原子在負極被還原析出，或正極中的鈷離子溶出，令電池再也無法充電與放電。

過度充電、電池短路、異常放電與異常充電、過熱等情形，都會使得電池劣化，持續下去就會自燃或爆炸。

二○○六年，全球許多地方發生了行動電話、筆記型電腦的起火意外，鋰離子電池的安全問題浮上檯面。戴爾、蘋果、IBM／聯想、東芝、索尼、HP、富士通等電腦大廠販售的筆記型電腦，都在當年因為鋰離子電池有起火或異常過熱之虞（實際上也發生了自燃意外），召回（自主回收或免費換機）不少型號的產品。

照理說，既然可能發生起火的風險，廠商應該都有多重安全措施，但這些擁有高度製造技術的廠商推出的產品，卻還是發生起火意外，不得不大規模回收。

值得安慰的是，當發生類似問題後，廠商會實施更周全的安全對策，如今已幾乎看不到相同情形發生。

要是飛機貨艙起火……

光是想像「鋰離子電池在飛機貨艙中起火」就令人驚恐萬分，遺憾的是，這是真實發生過的事情。

二○一○年九月三日，UPS航空六號貨運班機，在杜拜上空飛行時發生貨艙失火的墜機事故，導致兩名機組員死亡。

這架貨機運載了八萬一千顆鋰離子電池和鋰電池（兩者統稱為鋰基電池），以及裝有鋰基電池的電器產品。根據調查結果，起火源是鋰基電池，而機上的滅火器不適合撲滅此類火災。

搭載大量可能起火的鋰基電池時，只要其中一顆起火，就會導致其他電池熱失控，造成大規模火災。不僅如此，火苗也可能引燃旁邊的塑膠製品和化學纖維製品。

在這起墜機意外後，又發生了鋰離子電池或鋰電池造成的火災意外。空運電池的相關規定因此修訂得更嚴格，國際民航組織（ICAO）也禁止客機的貨艙裝載單獨包裝的鋰離子電池。不過，筆記型電腦已成為工作時不可或缺的工具，若禁止旅客攜帶，可能會流失客源，很難做到這一點。¹

各式各樣的電池

電池大致可分成化學電池與物理電池（太陽能電池與光電池等）。

一般說的電池通常是指化學電池。化學電池是利用氧化與還原反應，將化學能量轉變為電能。

化學電池又可分成鹼性電池（鹼性鋅錳電池）、碳鋅電池這一類，不可充電的一次電池；以及鉛酸電池、鋰離子電池這類，可反覆充電使用的二次電池（蓄電池）。

電池的組成有正極、負極與電解液（含有陽離子和陰離子的溶液）。

在電池的外電路中，電子會從負極移動到正極；負極的物質釋放電子，發生氧化反應，正極的物質接收電子，發生還原反應。

圓筒狀碳鋅電池的正極端為外凸的金屬帽，內部由碳棒與二氧化錳組成，其中二氧化錳負責接收電子、參與反應；負極則是鋅金屬，會溶出鋅離子並且釋放電子。

談到碳鋅電池的正極，人們常直覺想到碳棒，其實它的作用是收集電子，再傳給接收電子的物質（二氧化錳）。電池真正的主角是「負極活性物質」與「正極活性物質」。從電池的負極活性物質釋放的電子，會通過電路，被正極活性物質接收，因而產生電流。

鋰是最容易釋放電子的金屬

在元素週期表中，鋰是第1族，也就是鹼金屬的一員，原子序數為三，是金屬元素中序數最小的。鋰單質是柔軟的銀白色固體。

我在教高中化學課時，會取出保存在煤油裡的鋰塊，用美工刀切開，讓學生們觀察切面的金屬光澤。然後再切成小顆粒，丟入水中，觀察後續反應。鋰遇水會溶解，產生氫氣泡泡，並形成氫氧化鋰。

在高中化學我們會學到「離子化傾向」。將金屬單質放入水或溶液裡，它具有釋放出電子，自己變成陽離子的傾向，這稱為金屬的離子化傾向。此外，由大到小依序排列金屬的離子化難易度，稱為金屬離子化傾向排序。

主要金屬的離子化傾向請參考下圖所示。

氫氣雖然不是金屬，但同樣容易形成陽離子，因此放入排序中比較。在圖示的排序中，排序愈左邊的原子愈容易形成陽離子，也就是愈容易失去電子（將電子給其他原子）。換句話說，金屬離子化傾向排序就是「金屬原子容易失去電子」的排行榜。

事實上，金屬離子化傾向排序是以氫電極（設定電位為零伏特）為基準，檢測金屬的標準電極電位（E0），由小到大排序。鋰的標準電極電位是金屬中最低的，這表示將鋰放在負極，可以獲得很大的電壓。

鋰離子電池與鋰電池截然不同

一般人很容易將鋰離子電池跟鋰電池混淆，但這兩者是完全不一樣的東西。行動電話與筆記型電腦的電池是鋰離子電池，這是可以充電的「二次電池」。但鋰電池是只能使用一次，不可充電的「一次電池」。

鋰電池的負極是鋰金屬。與傳統電池相較，自放電現象較少，壽命較長，適合長期保存與長期使用。半導體記憶體的備用電源、數位相機、個人電腦內部電源等常用的鈕扣電池，通常就是鋰電池。

由於鋰接觸水會產生激烈反應，因此鋰電池是使用有機溶劑當電解液。假如將鋰電池充電，負極表面會形成樹枝狀的鋰結晶，當樹枝狀結構延伸到正極，會使電子從負極一口氣移動到正極，也就是形成短路，很可能導致發熱、破裂甚至是起火。

二次電池的研發，歷經了從鉛酸電池、鎳鎘電池到鎳氫電池，如今，鋰離子電池的用途正迅速擴大中。

鋰離子電池的特色在於重量很輕，方便攜帶，高輸出功率且容量大。鋰離子電池的電壓約為鎳氫電池的三倍，可蓄積大量電力，而且自放電的機率也少。此外，鋰離子電池沒有「記憶效應」，換句話說，不會因為在電池還有電時就充電的行為，導致原有容量減少。

因此，行動電話、平板電腦、筆記型電腦等，體積小且高耗電的產品，幾乎都使用鋰離子電池。現今，鋰離子電池也運用在電動車中。

日本旭化成公司的榮譽研究員吉野彰，是確立現行鋰離子電池原型的功臣。二○一九年，三名研究人員因為開發鋰離子電池，榮獲諾貝爾化學獎肯定，吉野彰就是其中一人。

鋰離子電池的負極活性物質主要是石墨，正極活性物質為鋰和鈷的氧化物，電解液採用有機溶劑。

鋰離子電池在進行充／放電的時候，鋰離子透過電解液在正極與負極之間來回移動。

電動車電池開發白熱化

一九九○年代，二次電池的主流是鎳鎘電池。鎳鎘電池的正極活性物質是氫氧化鎳，負極活性物質是鎘金屬，電解液則是氫氧化鉀溶液。

二○○○年代，鎳氫電池開始普及，它的負極材料，已從有害物質金屬鎘，換成能吸收氫的金屬（儲氫合金）。鎳氫電池的電力容量是鎳鎘電池的兩倍。

幾年後，便進入鋰離子電池的時代。

隨著鋰離子電池的開發愈來愈進步，廠商都想推出具有高度安全性，重量愈來愈輕的產品。

鋰離子電池中，負極的石墨若換成鋰金屬，可將重量減至十分之一。因此廠商正積極研究，如何避免生成導致短路的樹枝狀結晶。

而正極使用的鈷化合物，其中的鈷是稀有金屬，所以廠商也正在開發以產量豐富、價格更便宜的鐵化合物替代的方法。

由於氧可從空氣中取得，如果正極活性物質換成氧，就能進一步減輕電池重量。若開發中的負極活性物質能夠使用鋰金屬，鋰與氧的組合即可製造出終極的鋰金屬電池²。如果成真，電解質應該不是液體，而是固體。

未來的汽車可能以電動車或燃料電池車為主，電動車的發展關鍵在於，是否能開發出便宜又能快速充電的電池。由於這個緣故，汽車製造商紛紛投入電池開發計畫。

NOTE

1. 編註：目前飛航規定，所有備用的鋰電池、鋰離子電池（如行動電源），需以手提行李隨身攜帶，不可託運。
2. 編註：這個技術又稱為鋰空氣電池。

※ 本文摘自 《恐怖到睡不著的化學：讓人笑不出來的笑氣》，原篇名為〈01 鋰離子電池起火導致墜機！〉，立即前往試讀►►►