奈米鋰電池
奈米科技是 21 世紀科技發展的重要技術領域，藉由奈米科技將創造另一波技術創新及產業革 命。近年來歐美日各國均投入大量人力與經費，進行奈米材料與應用技術的開發。奈米材料應用 的範圍甚廣，包含化工、民生、消費性電子、光學、生物、製藥、能源等產業的應用。
奈米鋰電池技術的關鍵點是高容量‧高功率‧高安全性之奈米及鋰電池材料的開發與落實應用及 進展現況
奈米鋰電池的應用
理二次電池雖然已廣泛使用於 3C 產品上，然而隨著筆記型電腦使用 1GHzCPU 而增加耗電量，
以及螢幕尺寸加大‧解析度提高‧使用高容量硬碟及 DVD-ROM 等趨勢，未來筆記型電腦整體 功率消耗明顯提高，因此對鋰電池主要的技術提升需求，包刮提升電池能量密度‧降低重量與智 慧型電源管理。
高容量奈米負極材料
目前商品化的鋰電池負極材料，主要種類包括石墨化碳、人工石墨、硬碳及碳纖維等。其中石墨 化碳（如介穩定相碳狀碳）的市場佔有率最高，其材料價格高（每公斤 30～32 美金）、容量適 中、壽命佳，目前被大量使用於鋰電池負極材料；然而其容量已達技術極限，非得使用更高容量 的石墨碳材或合金材料，才能獲得高能量密度的鋰電池。目前高容量負極材料的開發，主要包括 利用高能量機械合金化研磨（high-energy mechanical alloying） 技術，將金屬或合金材料進行高 能量研磨，以獲得奈米結構金屬或合金材料；或將碳粉表面鍍上一層奈米氧化物及合金材料，以 形成奈米複合負極材料，下圖。
(圖一)具奈米氧化物鍍層之負極碳材表面結構圖
其中，經由高能量研磨的奈米合金粉體（SnSb, LiSnM alloy, LiM alloy, M=Al, Fe, Si, In），雖然具 有一些延性奈米結構組織（ductile structure），可以防止合金材料在鋰離子的充放電測試中，所造 成之合金膨脹與碎裂，提高了材料的壽命；然而不可逆容量太高及材料導電度低，仍需要進一步 克服，才能夠應用於鋰電池負極材料。而利用奈米表面改質技術，將奈米氧化物或奈米合金，在 碳材表面所形成的奈米複合負極材料，除了具有較高的電容量（＞420mAh/g），約較傳統碳粉
（320mAh/g）的電容量高出 40％，如(圖二)。這種奈米改質的奈米複合負極負極材料，又擁有 價格低的優勢，未來是具有市場競爭力。
(圖二)具奈米氧化物及合金鍍層之負極碳材電化學特性
高性能奈米正極材料
鋰電池正極材料不但影響電池性能，也是決定電池安全性的重要因素。因此好的鋰離子電池正極 材料，除了克電容量要高以外，最重要是材料熱穩定性佳，即材料安全性優，才能被應用於正極 材料。鋰離子電池若以正極材料來區分，主要包括鋰鈷（LiCoO2）、鋰鎳鈷（LiNiCoO2）、鋰 鎳（LiNiO2）及鋰錳（LiMn2O4）四大系統。雖然 LiNiO2 電容量最高，但安全性差，目前無法 使用；LiCoO2 材料價格最貴，且電容量適中，已經到達材料應用極限；LiMn2O4 材料最便宜，
但電容量偏低且高溫循環壽命差，只有少量商品化電池使用；而 LiNiCoO2 材料價格適中，電容 量高，但由於安全性顧慮，目前只有少量商品化電池使用此類正極材料。
LiCoO2 材料雖然是目前市場主流，性能提昇已達極限，已經無法符合未來 3G 行動電話對高能 量密度鋰電池的需求。而 LiNiCoO2 材料將會是未來市場主流，因此如何提高鋰鎳鈷材料的安全 性是未來高容量鋰電池的關鍵，藉由奈米化的表面處理，將可獲得低的放熱熱焓＜100 J/ g （未 改質 LiNiCoO2 材料放熱熱焓＞350 J/g，商品 LiCoO2 材料放熱熱焓約 120 J/g），使得鋰鎳鈷材 料的安全性大大提升。利用奈米金屬氧化物鍍層表面處理後的鋰鎳鈷正極材料，不但可獲得高電 容量（≧180 mAh/g），且材料安全性高（DSC 放熱量與鋰鈷材料一樣），(圖三)為鋰鎳鈷材料 之奈米氧化物鍍層 TEM 結構圖，(圖四)為鋰鎳鈷材料經由奈米氧化物鍍層表面處理後之 DSC 放 熱圖。另一方面將材料製作成具有超晶粒奈米結構設計之球狀材料構造,材料外觀為一次粒徑為 200～400nm，二次粒徑為 5～7μm 大小之結構，如(圖五)為奈米結構鋰鎳鈷材料之 SEM 圖。此
奈米結構大大增加鋰鎳鈷正極材料之大電流充放電力（從 2C rate 提高至 5C rate）。由於此材料 的大電流充放電能力提升一倍，使得電池充放電時間縮短一半，將可應用於對高功率電源需求強 烈的產品上（如電動工具及電動車輛）；(圖六)為鋰鎳鈷材料大電流充放電能力測試圖。
(圖三)鋰鎳鈷材料之奈米氧化物鍍層 TEM 結構圖
(圖四)鋰鎳鈷材料經由奈米氧化物鍍層表面處理後之 DSC 放熱圖
(圖五)奈米結構鋰鎳鈷材料之 SEM 圖
(圖六)奈米結構鋰鎳鈷材料之充放電圖
高容量奈米鋰電池技術
目前商品化的鋰電池所能提供的電池重量能量密度約 175Wh/Kg，隨著各種可攜式電子產品對電 源需求的增加，對於奈米鋰電池的需求，將非常迫切。將高容量奈米正、負極材料組合搭配起來 所行成的高容量奈米鋰電池，材料系統包括奈米複合負極材料與奈米結構鋰鎳鈷正極材料，初步 電池重量能量密度高達 205Wh/Kg ，電池循環壽命達 400 次以上，並通過壓碎、穿釘、過充電 等安全測試，如(圖七)為工研院材料所開發之高容量奈米鋰電池外觀與循環壽命圖。隨著搭配高 容量奈米正、負極材料所需之配方最適化、電池設計、奈米鋰電池製程的開發與成熟，未來奈米 鋰電池性能將可提升至 250Wh/Kg，將遠遠超過現有鋰電池性能。
(圖七)高容量奈米鋰電池外觀與與循環壽命圖 薄膜鋰電池應用
現代人皮夾內的卡片眾多，舉凡電話卡、車票卡、提款卡、信用卡、健保卡、貴賓卡、借書卡等 等，不下十張卡片。未來是否有一張智慧的 IC 卡，可以採互動方式安全地取代所有卡片。這種 互動式的 IC 智慧卡，宛如一個小型的電腦系統，不僅有簡單的鍵盤可以輸入資料，也有一個小 小的液晶螢幕顯示資料，且不需要讀卡機，持卡人就可以直接由卡片上的液晶螢幕來讀取卡片上 的資料，因此此卡片需要有一個薄膜電池來提供電力。目前手機用的最薄型的高分子鋰電池約 3.8mm，而智慧 IC 卡所需的電池厚度則低於 0.2mm，如(圖八)。此種電池除了電容量需要 15～
20mAh 外，其電流放電率仍需達 C/5 以上，因此需要利用特別的極板製作、電池封裝技術，可 藉由奈米纖維材料的製作技術來獲得高容量且大電流放電率佳的超薄電池極板（單層極板厚度≦
30(m）。(圖九)為奈米氧化物纖維材料之 SEM 表面結構圖，(圖十)為奈米氧化物材料之大電流放 電圖。
(圖八)智慧 IC 卡與薄膜電池之結構示意圖
(圖九)奈米氧化物纖維材料之 SEM 表面結構圖
(圖十)奈米氧化物纖維材料之大電流充放電圖
結語──奈米鋰電池發展趨勢
綜合上述討論，高能量密度、高功率特性，又兼顧高安全性之奈米鋰電池，可以分為進程、中程、
長程等三個階段目標，可以先開發奈米表面改質與奈米結構材料技術，再跨入奈米複合材料技術 與奈米粉體製造與應用技術，如(圖十一)。從未來高能量奈米鋰電池與材料的技術發展里程圖，
如(圖十二)，可明顯地看出來未來奈米鋰電池，除了強調高能量化（高電池重量能量密度與高體 積能量密度）外、也將特別重視高功率與高安全性之要求。針對不同應用產品，將導入不同奈米 技術於下世代奈米鋰電池與材料的開發。如此，不但可以獲得具有高容量與高功率的奈米電池材 料，來解決目前鋰電池之技術瓶頸，增加電池的性能，除了可作為 3C 可攜式電子產品之電源外；
未來更可作為電動自行車、電動機車及電動車之動力來源。藉由奈米級電池材料及製程技術的創 新開發，所發展之薄膜鋰電池，將有機會應用於新世代的產品上面，包括 MEMS、生醫元件所 需之薄膜鋰電池。
(圖十一)奈米複合材料技術關係圖
(圖十二) 未來高能量鋰電池與材料技術發展里程圖
