王復民 / 臺灣科技大學應用科技研究所
鋰金屬是一種活性極高的1A族鹼金屬物質，因為是原子序最低的金屬物質，所以在電池整體重量與鹼金屬容易延展的設計考量下，鋰金屬能計算出最大的重量與體積能量密度。然而，鋰金屬高活性的缺點，使得鋰電池的商業應用性被侷限，如：儲存使用的安全疑慮、電池壽命性能低落、製程環境嚴苛以及原材料成本昂貴等因素，因此才有了後續使用碳/石墨取代鋰金屬作為電池陽極材料的翻轉。近期電動車輛、儲能需求大幅提升，對於鋰電池能量密度提升的期待也刻不容緩，諸多學者與產業紛紛提出再次使用鋰金屬作為電池材料的可能性。鋰電池相關技術在經過了超過35年的商業運轉以及技術精進的演進之後，鋰金屬的商業使用已出現可能，本文將針對過往鋰金屬使用會出現的問題、學理機制以及目前可能的解決方案進行介紹與剖析說明。
【內文精選】
鋰金屬的製造
透過蒸發濃縮程序，可將鹵水中的氯化鋰濃度提高至6,000 ppm，再經由碳酸鈉的置換反應得到碳酸鋰(Li2CO3)，後續用以製作鋰金屬。另一個方式是將鋰輝石加熱至1,100˚C並與熱硫酸混合，可以反應形成硫酸鋰(Li2SO4)，後續亦使用碳酸鈉的置換反應得到碳酸鋰。相較於鹵水製程，這個礦石反應程序耗費能量也造成較昂貴的製作成本。總而言之，前述的產物碳酸鋰須再與鹽酸(HCl)反應製作成無水氯化鋰(Anhydrous LiCl)結晶。
製作鋰金屬薄膜
根據前述，鋰金屬純物質獲得之後，可用以下幾個方式製作成鋰金屬薄膜。首先是一般的碾壓延展(Rolling)程序，如圖一所示，可以透過雙滾輪間距的大小控制來達到最終薄膜的厚度。
圖一、碾壓延展程序製作鋰金屬薄膜
為何要使用鋰金屬為陽極
圖四(a)所示為傳統鋰離子電池構造，其陽極是由石墨/碳/矽等材料所組成，也因為這幾種材料不具有延展性質，且就本質密度考量具有相當的重量，因此在電池組裝製作完成後的體積與重量是有一定數值的存在。根據目前商用單電池設計的趨勢來看，以富鎳層狀材料NMC811為陰極、軟碳石墨為陽極、5~6 mAh/cm2 的面電容量電極設計下，大致上可以得到250~300 Wh/kg或是700~800 Wh/L的能量密度。如果將陽極替換為重量更輕且能夠延展至厚度非常薄的鋰金屬，依照前述的設計，電池重量與體積將大幅減少，如圖四(b)所示，以富鎳層狀材料NMC811為陰極、5~6 mAh/cm2 的面電容量電極設計下，得到>400 Wh/kg或是>1,000 Wh/L能量密度的鋰金屬電池將不會只是夢想 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖四、(a)傳統鋰離子電池構造，使用石墨為陽極；(b)鋰金屬電池構造，使用鋰金屬為陽極
★本文節錄自《工業材料雜誌》460期，更多資料請見下方附檔。