呂明彥、鄭苡、陳嘉晉 / 台灣大學化工系
引言
近年來，全世界致力於發展更安全且更高效能的儲能裝置，以支持現今由各式繁複電子產品所建構起的人類生活。1991年Sony公司研發出鋰離子二次電池，相較於傳統電池(如鉛蓄電池20~40 Wh kg-1、鹼性電池70~100 Wh kg−1等)能提供更穩定且高能量密度的能源儲存方式，因而主宰了儲能系統的市場。
隨著人類社會的發展，環保意識抬頭與經濟發展所需的能量需求亦同步提升，而受綠色能源間歇性發電的限制，其發展仍需搭配穩定高效的儲電系統。鋰離子電池目前一方面受限於電極可容納的鋰離子數量有限，以致無法滿足大量蓄電的需求；另一方面，現行使用的液態電解質(常見為1M LiPF6 in Ethyl Carbonate : Dimethyl Carbonate : Ethyl methyl Carbonate)除了會壓低電池的工作電壓與功率之外，更由於其較低的燃點與可燃性，限縮了鋰電池可運作的溫度環境，為其穩定度與安全性帶來隱憂。因此，科學界已積極地往下一代鋰離子電池的發展前進，而全固態鋰電池(All Solid-state Li-ion Battery; ASSLiB)的概念便在這樣的需求中誕生了。(圖一)
圖一、以液態電解質和固態電解質為基礎的鋰電池比較圖。目前商用的電解質為液態電解質，雖然具備高離子導電度，但在工作電壓、化學穩定性、工作溫度、安全性等方面都有待提升。為了根本解決這些問題，具備高離子導電度的固態電解質，將有望取代現行的液態電解質，發展成全固態鋰電池
固態電解質
在全固態鋰電池中，固態電解質為其中最關鍵的材料。理想的固態電解質須在適宜的工作溫度範圍內，同時維持正負電極介面穩定度的狀態下，提供良好的離子導電度。而影響導電度 σ 的主要因素，可由以下關係式見得：
σ=zCμF (1)
其中z為離子的帶電量；C為濃度(mol/m3)；μ 為遷移率(Mobility, m/sV)；F為法拉第常數(96485 C/mol)。由於z與F皆為常數，因此離子濃度與遷移率主控了材料導電度的表現。廣泛而言，C亦作載流子(Charge Carrier)濃度，意即攜帶電荷的載體(如帶正電的陽離子、電洞或帶負電的陰離子、電子)之濃度。其值越高，則材料中可負載電荷的媒介越多。而遷移率意指在單位電場下，該帶電粒子移動的速度；因而越高的遷移率，意味著在材料中越高的自由移動能力。
目前科學家最熱切研究的固態電解質材料可分為兩大類：有機高分子與無機金屬化合物。高分子材料價格低廉且具高可塑性，能緊密地貼合於電極表面，亦可增加電池型態設計的可塑性；無機金屬化合物的化學穩定度與機械強度更高，加寬了電池的可工作電壓範圍，且普遍可提供較高分子材料更高的離子導電度。
由圖二可見，高分子材料P(EO)12-LiTFSI在室溫下的導電度小於 10-4 S/cm，因此需在高溫環境中，才能提供近於液態電解質的導電度。在陶瓷材料方面，以室溫下具高導電度的無機金屬氧化物為例，如Li7La3Zr2O12 與Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3，離子導電度約為10-4 S/cm，仍低於傳統液態電解質的表現。故當務之急，便是嘗試深入材料的微觀世界，挖掘帶電粒子於其中傳導的機制，因材制宜地調控離子濃度與遷移率，優化材料特性，突破現有效率。
1. 高分子材料
典型的高分子固態材料常會混入鋰鹽，作為材料中鋰離子的來源，尤以具有龐大陰離子團的鋰鹽(如LiTFSI)為佳。這是因為大體積的陰離子，其單位體積的負電量較低，使鋰離子易脫離原本的基團，藉此增加材料的載流子濃度。而聚環氧乙烷(Poly(ethylene oxide); PEO)為常見的研究對象，便是因其能與鋰鹽(如LiTFSI)良好地互溶。這是由於鏈上具有帶部分負電荷的醚氧(-O-)結構，當靈活的長鏈隨著區域電荷的改變時，便可撓曲出能吸引鋰離子穩定存在的空間。
如圖三所示，高分子傳遞離子的方式可分為鏈內或鏈間跳躍。當長鏈的首尾兩端足夠靠近，使離子可由一端移動至另一端，產生類似跳躍的效果，則稱為---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖三、高分子電解質傳輸機制，可分為(a)長鏈內跳躍與(b)長鏈間跳躍