近幾年氣候異常讓全球開始重視環保問題，因此許多國家與廠商開始針對電動載具研發高功率大容量的動力型大尺寸鋰電池與模組，而鋰電池相關技術在3C產業已經相當成熟、價格低廉，且具有大量生產的製造能力，因此以3C的鋰電池基礎進行動力鋰電池的相關研究，確實有助於縮短研發時程。但若完全以3C產業的小容量電池思維套用至大尺寸高容量的鋰電池，將忽視許多大電池與高功率電池模組背後隱藏的危機，本文嘗試從許多角度切入，說明大尺寸電池與高功率電池模組在設計上需注意的事項。

過去十年間，3C 產業的蓬勃加速鋰離子電池的發展，目前幾乎所有3C 產品也都採用鋰電池作為電力供應的來源，也容易讓人誤解只要經過簡單的串並聯之後，就可將鋰離子電池組裝成高壓大功率的電池模組，為油電混合車提供動力來源。事實上，車用電池的負載特性及工作環境與3C產品所使用的電池有相當大的差異，例如一般3C 產品為了維持較長的待機與使用時間，其放電C-rate遠低於1C，所謂的放電C-rate是指電池電量每小時的釋放速率；例如2C放電表示電池以2倍全充容量的電流放電，因此充飽電的電池在2C放電下約可使用0.5 小時；若電池以0.5C 的電流放電，相當於電池可持續放電約2小時，以目前筆記型電腦的電池可使用時間約3~4小時，相當於電池放電C-rate約在0.25~0.33C，而HEV所採用的車用電池最大放電C-rate可高達10C以上。

另外，電池模組的串並聯數量也差異極大，一般筆記型電腦的電池模組最大約四串兩並或三串三並的設計，而電動車輛至少都是七串以上的設計，若使用一般筆記型電腦常用的18650 電池規格來看，目前市面上的電動腳踏車至少需要七串五併的組裝方式達到基本設計的行駛公里數與性能表現，而使用的電池總數量就相差四倍之多。從使用環境的差異來看，電動載具之電池模組還需考慮溫度與震動等所造成之影響，以電動遙控飛機為例，一個三串或四串的鋁箔包電池模組，放電循環壽命最多100~200 次，且性能老化速度極快，為延長電池壽命，一般專業玩家對電池充電時，都會採用平衡充電方式延長電池壽命。

圖三、以18650 之小電池芯經由串並聯組成高壓大容量模組

以3C 小尺寸電池的思維切入大尺寸車用電池的探討
由於大部分之鋰電池製造商均由發展小型鋰電池起家，以小尺寸電池的觀念與思維切入大型鋰電池之研發製作，大多專注在材料面與製程上的發展，因此各材料商加速推出新型之鋰電池材料，新材料之訴求不外乎是高容量或高安全性。換言之，多數電池製造商所抱持的邏輯是採用高安全性鋰電池材料經過組裝後的電池即具有高安全性，若進一步製作成大型電池或是組裝成電池模組，亦是安全的電池模組。然而此思維的背後卻忽略大型鋰電池在應用上所面臨的操作環境、安全性、電池機構設計等重要設計參數，材料面的考量只是這些重要環節的其中之一。以下將說明大容量動力電池/模組與小容量的3C電池/模組在材料面與充放電行為上的各項差異，並進一步探討小電池容量的設計或測試驗證方式在大電池/模組可能引發的問題與一般常見的困惑。

1.小容量低功率與大容量高功率之鋰電池有哪些差異？
鋰離子電池之正極為鋰金屬氧化物、負極為多孔性碳材料。鋰離子電池內部並無鋰金屬之成份，其充放電之反應係靠鋰離子進出於正負極材料的晶格結構中，這也是鋰離子電池與其他二次電池之最大不同處。早期之鋰電池負極板係採用鋰金屬，但鋰金屬在充電過程中會產生針狀之結晶物，該結晶物會刺穿隔離膜，造成電池短路發熱，甚至發生爆炸等安全性問題。因此，鋰離子電池之負極改採用多孔性碳材料，以避免鋰金屬之產生。為求電容量的增加，目前市面上3C 產品的鋰電池，正極材料大多採用鋰鈷氧化物，但由於該材料活性較強，有安全上的疑慮，因此較大型的電池則使用活性較低之鋰錳氧化物。此外，鋰鎳氧化物、鋰鎳鈷氧化物等含鎳成分的正極材料也正在發展，目前最熱門的話題則為鋰鐵磷材料的出現，由於該材料價格低，並特別強調高安全性，成為新一代鋰電池正極材料。表一為各種不同正極鋰電池材料之各項性能比較。

表一、鋰離子電池常用之正極材料比較

3.沒有絕對安全的電池：鋰鐵磷材料絕對安全嗎？
近幾年來發展迅速之鋰鐵磷材料，雖然強調安全性較傳統之鋰鈷、鋰錳材料安全，但這是指單顆電池使用之下的安全性。電池模組則是由數顆單電池串並聯而成，因此組裝成電池模組後，是否保有單電池之安全性，仍有待探討。由於鋰鐵磷材料有導電度低、材料密度低等缺點，因此各種改質的研究仍在進行中，並非成熟之產品。若材料改質後即上市銷售，應用於民生用品上，特別是大容量動力電池模組，未經過較長時間的完整驗證，安全性仍然會是一個隱憂。尤其鋰鐵磷材料本身特別強調高安全性，電池製造商是否會因為該電池的高安全性而忽略其他影響電池安全之機制（如組裝製程、機構設計、電池管理系統設計、保險絲等電池外部安全設計），過度依賴材料面的安全性卻因此造成整個模組在安全上的隱憂。此外，鋰鐵磷電池大都使用於電動車輛等較大型之設備，不但電池之電容量、尺寸均較大，且在使用上均是採用較高數量之串並聯，與3C產品之電池模組比較之下，磷酸鋰鐵所組成之電池模組電容量高上數倍，如此高容量之電池模組無論是採用何種電極材料，若整體設計稍有疏失，都會對安全性造成影響。

4.新材料的安全性驗證是否足夠？
各種新型的鋰電池材料推陳出新，不外乎是強調高容量、高循環壽命、高安全性等。以鋰鈷氧化物材料而言，若材料製造商推出新型的鋰鈷氧化物材料，大多以鋰鈷氧化物為基礎而做的材料改質，表面上看來，基本材料系統變化不大，但是否代表這些材料的安全方面相關特性也沒有太大變化呢？一般而言，一種新材料應用在鋰電池上，均會經過性能以及安全性驗證，但是若只是沿用舊型材料稍加改質之新材料，電池製造廠是否均會經過完整之安全性驗證？或是電池製造廠認為材料改質變化不大而忽略安全性驗證？此外，新材料所製造之電池產品剛進入量產初期時，大多需要一段磨合期改善材料或製程穩定性等瑕疵，但在出廠前的品管流程如果無法檢測出這些瑕疵，當這類材料進入市場一段時間後才陸續發生問題，這對電池製造商來說將是一大考驗。而3C產品所採用的安全驗證與性能檢測程序，是否可以沿用至車用鋰電池驗證與檢測也需特別留意，因為車用電池在使用環境、充放電條件、材料面與電池設計等因素都與3C產品差異很大，因此發展一套正確與可靠的驗證方法對所有電池製造商來說都相當重要……詳細全文請見原文

作者：孫建中、鄭程鴻、張良吉、黃怡碩/工研院能環所
★本文節錄自「工業材料雜誌276期」，更多資料請見：http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=8233