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行动装置电池新兴技术发展趋势
 

【作者: MIC】2013年12月11日 星期三

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现代人对行动装置依赖日深,因此行动装置的续航力越来越重要。但目前行动装置主流电池技术-锂离子电池其能量密度仍不够高,无法满足消费者的需求,因此厂商及研发机构纷纷研发各种新兴行动电池技术解决方案。本文将分析可快速充电的电池技术目前之进展。



图一 : 行动装置的续航力越来越重要
图一 : 行动装置的续航力越来越重要

行动电池主流技术-锂离子电池(Lithium Ion)

行动装置功能越来越强大,现代人对行动装置如笔记型电脑、智慧型手机等之依赖日深,因此行动装置的续航力越来越重要。但目前行动装置主流电池技术-锂离子电池其能量密度仍不够高,无法满足消费者的需求,因此各种备用行动电源盒纷纷出现,提供额外的补充电力。有鉴于此,厂商纷纷寻求高能量密度且适合行动装置使用的新兴电池技术。


不过,在分析新兴行动电池技术之前,我们先检视锂离子电池目前技术现况。锂离子电池的工作原理,当充电时,由于外部给予正极高能量,因此锂离子由能量较低的正极被赶往负极,而成为能量较高的状态。放电时,锂离子则放出电子并流回能量较低的正极。


行动装置用的锂离子电池的正极目前主流材料是锂钴氧化物(LiCoO2)及锂镍锰钴三元系(NMC),负极则使用石墨,电解液则采用添加了锂盐的有机溶剂。在正极和负极之间则用隔离膜隔离两边的有机电解液,避免电子由正极透过电解液流至负极而造成短路,仅让锂离子通过。


锂离子电池的重量能量密度约为100~250Wh/Kg,约是早期笔记型电脑用的镍氢电池(60~120Wh/Kg)的两倍,镍镉电池(40~60Wh/Kg)的3倍以上,而且没有记忆效应。体积能量密度方面,锂离子电池约为250~730Wh/L,约是镍氢电池(140~300Wh/L)的两倍,镍镉电池(50~150Wh/L)的4倍以上。


尽管锂离子电池能量密度比起早期电池技术已经大幅提高,但因为行动装置越来越轻薄短小,电池体积有限,因此在有限的体积下,仅能提供笔电(Ultrabook)约5小时、智慧型手机正常使用下约1天的电能,因此厂商仍积极寻求可以供应更久持续力的电池技术。


充电快速的电池技术发展动态

电双层电容器(EDLC)

电双层电容器(Electric Double Layer Capacitor,EDLC),又称做超级电容器(Ultra-capacitor or Super-Capacitor),是一种具备高能量密度的电化学电容器,比传统的电容器容量高上数百倍到数千倍。


传统电容器由两片金属片组成,中间填入绝缘的介电质以隔离金属片。当接上电池充电时,正电荷和负电荷分别聚集在金属片上以储存电能。其储存容量大小与金属板的面积成正比,与两金属板距离成反比,也与介电质材料有关。


EDLC使用多孔活性碳为电极,其坑坑洞洞的材料特性,使储电表面积大为提高,一般而言,一公克活性碳(约为附在铅笔顶端的橡皮擦大小)其表面积可高达250平方公尺(约为一面网球场大小),若是使用其他材料如石墨、碳奈米管、碳气凝胶、石墨烯或导电聚合物等,其表面积会更大。


此外,透过极化电解质,而将电荷储存在电极板和电解质之间,共有两层,电荷储存容量又多增加一倍,因此EDLC能储存非常高的电能。


EDLC还有很多优点,适合用在行动装置电池上:


1. 充电快速:因为不是化学的氧化还原反应,而是纯粹物理的电荷移动,因此其充电速度非常快,几秒到几十秒即可充满,而且充电电路简单,结构也简单,几乎不需维护。


2. 功率密度高:可提供大电流,适合运用于笔记型电脑或需要更高功率的行动设备。


3. 寿命非常长:可充放电大于50万次,若每天充放电2次,可连续使用680年,而且没有记忆效应。


EDLC目前已经广泛使用于智慧型手机、电动手工具等产品,但主要是提供瞬间大电流,例如手机的闪光灯。此外,电动车厂商也积极开发电动车的车用电池。但由于目前单位体积的储电量仍无法满足行动装置需求,而且生产成本高,因此仍无法取代行动装置的锂离子电池。


不过,2012年三月,美国加州洛杉矶分校(UCLA)的研究员发展出利用DVD烧录器制作以石墨烯为电极的超级电容器的方法,若此方法发展成熟,由于石墨烯的单位重量表面积约为活性碳的10倍,将可以提高超级电容器的容量并降低生产成本,如此以超级电容器取代锂离子电池将指日可待。


UCLA的制作方法,首先,在DVD空白片涂上薄薄的氧化石墨水溶液,再利用DVD烧录器的雷射光将氧化石墨烧成石墨烯,并蚀刻成如手指交握的两个锯齿状电极,过程仅需30分钟。最后再黏贴上电解质,完成超级电容器。


UCLA后续的研究是希望找出新的电解质,以提高储电量,至少达到锂离子电池的水准,但充电时间能在五分钟之内。


UCLA研发出的用便宜的DVD烧录器制造石墨烯电极的制造方式,是EDLC技术的一大进步,让EDLC技术有望于未来数年内逐渐发展出可用于智慧型手机、笔电的行动电池。


磁电容(Magnetic Capacitor,MCAP)

当我们对电容器中的介电质施加磁场时,该材料的介电常数会产生明显的变化,此现象称作磁电容效应(Magneto Capacitance Effect)。电容的储电能力与介电常数成正比,因此若我们能在电容上加入足够大的磁场,则该电容将可以储存大量的电能,此即磁电容的技术原理。


磁电容两个电极中,一个是正常的无磁性导电金属,另一个则是由数十个具磁性的导电物质(铁铂合金或铜铂合金)组合而成的电极。磁性电极会产生巨磁电容效应(Giant Magneto Capacitance,GMC),大幅改变介电质的介电常数,理论上应能让磁电容储存大量电荷。


磁电容技术才刚起步,目前有业者宣称已经可以做到驱动LED或小玩具车的马达。由于磁电容能量密度是锂离子电池十倍以上,业者宣称未来技术成熟后,一片如信用卡大小尺寸的磁电容可望提供笔记型电脑数个小时的续航力,一片如SIM卡大小的磁电容就可以提供智慧型手机数小时的续航力。


MCAP技术是最近几年才被提出,并陆续提出技术原理与相关制造方法的专利申请,但此技术目前仍受到不少质疑,怀疑其可行性,因此后续会如何发展,仍有待观察。


行动电池市场潜力

@内文行动电池市场规模潜力非常巨大,从笔记型电脑、智慧型手机、相机、游戏机等都是其未来应用市场。图九列出2012年笔电、平板电脑、智慧手机、数位相机等四项重要行动装置产品出货量,总共为11.3亿台,其所需的电池市场规模在257亿美元以上。



图二 : :2012年行动电池潜力应用产品之市场出货量
图二 : :2012年行动电池潜力应用产品之市场出货量

快速充电电池技术观测重点

@内文UCLA以便宜的方式制造出石墨烯EDLC雏形是一项令人振奋的突破,因此后续应持续注意该技术的进展情况。


磁电容技术理论听起来相当不错,但因为技术太新了,仍有很多人抱持怀疑的态度。虽然有研究论文显示施加4特士拉(Tesla,1T = 10,000高斯)的巨大磁场于某些介电质上,确实能提升其介电系数300倍以上,但是否因此就能做出储存巨量电荷的磁电容,仍是个未知数,因此若对此技术有兴趣者,观测重点在该技术是否能做出足以驱动至少是MP3播放器之类行动装置的雏形,以证明该技术确实可行。


(本文作者吴显东为资策会MIC资深产业顾问)


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