第一章 前言
1.1 緒論
近年來，因為人類大量使用石化能源作為燃料，它雖然讓人們生 活更加的便利，但是石化燃料燃燒所生成的二氧化碳卻帶來了嚴重的 溫室效應1-3，使得人們越來越重視節能以及環保的議題，因此，眾多 學者們開始著手於開發新的替代能源以取代對石化燃料的依賴性，除 了開發新的綠色能源，如何將能量儲存起來也是重要的思考因素，故 電池的開發在近幾年來變越來越蓬勃的發展。
在眾多電池種類中，可以重複充放電使用的二次電池使得電子產 品在使用上更加方便，其中，鋰離子電池為目前最廣泛使用的電池，
因為其具有高能量密度、無記憶效應等優點 4-5，使得鋰離子電池最常 被使用在電子產品中，變成生活中不可或缺的一部分。近幾年來，電 池開始被使用到交通工具的動力上，油電混合車 (HEVs)和電池車 (EVs)這類的電動車開始可以被開發，電池可以說是這些電動車的心 臟，因為電池如果不安全，則會造成電動車的不穩定性，使駕駛人在 行駛的過程中具危險性，而電池的電容、功率及循環壽命則會影響車 子的加速性、爬坡性、續航力……等關鍵因素，最後，如果電池的成 本極高，則電池車的價格無法打入市場，無法被人們所接受，因此，
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電池的價格亦是電動車開發的重點之一。
目前，市面上已經可以看見一些這類型的車款，這些車子目前所 採用的電池一般為採用鋰離子電池中的磷酸鋰鐵電池及鈦酸鋰電 池6-7，磷酸鋰鐵電池具有結構穩定、成本低、安全性高、低毒性等優 點，而鈦酸鋰電池則可以快速充放電，同時充放壽命長、安全性高的 優點，使得上述兩種電池被採用成為電動車的電池，儘管鋰離子電池 具有以上這麼多優點，但是它的能量密度仍然與現行的汽油燃燒所能 提供的能量密度相差甚遠，如圖 1-1 8所示，現在所開發已經市售化 的鋰離子電池一般理論能量密度不到 200 Wh/kg，而汽油燃燒所能提 供的理論能量密度約莫 13000 Wh/kg，如圖 1-29所示，我們可以得知：
目前鋰離子電動車電動車的行駛距離比起汽油車仍低上許多，很難取 代現行的汽油車，若一日電動車的行駛距離能提升至與汽油車相近，
則會有辦法提升電池車對汽油車的競爭力，而鋰氧電池因為其理論能 量密度與汽油相近，故成為一個備受矚目的電池開發對象，本篇將以 鋰氧電池為對象進行探討。
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圖 1-1 電池/汽油能量密度圖8
圖 1-2 電池使用於電動車情況下的行駛距離推測圖9
1.2 研究動機及目的
在目前鋰氧電池的研究發展中，可以發現電池在運行的過程中仍 然遭遇了一些困難，其中最嚴重的便是循環壽命低落以及充放電的過 電壓太高的問題 8。目前鋰氧電池的充放電電壓差異大，原因是因為 放電時的反應路徑及充電的反應路徑不同所導致 10， 此種過電壓可
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以藉由在正極材料中添加催化劑來改善，使充電的反應可以在正極上 更加容易進行，同時降低充電時的過電壓，藉此使充電電壓與放電電 壓接近，達到降低能源浪費的問題，還可以防止電壓太高造成電解液 無法承受而分解的情形發生11。另一方面，目前鋰氧電池的循環問題 也是必須要被克服的障礙之一，循環壽命低落的問題點主要有二：第 一個原因是因為電池在放電過程中會產生過氧化鋰(Li2O2)這個不導 電的放電產物，此種問題可以將正極的粒子結構縮小，做出高表面積、
多孔率高的材料來分散堆積放電產物，使其不會因為將某部分正極表 面覆蓋而使其失去活性，造成電容衰退。第二個原因主要是因為在電 池放電的過程中，通入電池的氧氣會先與電子形成一個反應性極高的 超氧陰離子(O2.−)的中間產物，倘若電池的電解液在反應中不夠穩定，
則會與超氧陰離子發生不必要的副反應而分解，導致電解液流失，最 後電池衰敗。目前我們已知較常見的電解液比如碳酸酯類、醚類或是 兩者的混合液已經被證實並不能在反應中穩定存在，而其他電解液則 是剛開始被拿來研究，各具有不同的問題點存在，因此目前在鋰氧電 池的發展上，仍未開發出適合使用於鋰氧電池的電解液。
雖然各文獻中常有拿各種有機電解液去做電池測試，並且藉由放 電後極片測試放電產物比較電解液的穩定情況，但是卻鮮少看到文獻 中在電池充放電過程中進行同步地電池行為觀察，故我們將利用旋轉
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環盤電極系統搭配伏安法(Rotating Ring-Disk Electrode Voltammetry，
RRDEs)來模擬電池在各個電位下的反應，並將測試所得對應電流值 套入 Levich-Koutecky equation 以及計算電解液分解速率常數的公 式 12，嘗試算出氧氣在各電解液下的反應速率及電解液分解的情況。
本實驗將會先自文獻中找出常用的電解液溶劑種類，再將依序選用 Propylene carbonate(PC，碳酸酯類)、Tetraethylene glycol dimethyl ether(TEGDME ， 醚 類 ) 、 Acetonitrile(MeCN ， 腈 類 ) 、 N,N-Dimethylacetamide(DMA，醯胺類)、Dimethyl sulfoxide(DMSO，
碸類)、1-Butyl-1-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (Pyr14TFSI，離子液體類)進行 RRDEs 測量，測試各溶劑情況下的 kf
與 k 值，嘗試自各溶劑種類中找出鋰氧電池的最佳溶劑。
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