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。根據美國市調機構Business Communication之調查分析結果，奈米材料在整體產業的應用上，於2005年市場需求值可達9億美元，如(圖一)。諾貝爾獎得主Dr. Smalley表示，未來五十年人類面臨十大問題中，以能源居首，能源需求量成長了3～4倍，而奈米技術將可帶動奈米能源的革命性發展與突破，包括奈米鋰電池、太陽能電池、燃料電池、儲氫系統、光觸媒、光電池等等應用。

《圖一　奈米材料的市場應用分析》

＜資料來源：Business Communication＞

本篇文章將探討奈米材料在奈米鋰電池之應用為主；奈米鋰電池技術的關鍵點是高容量、高功率、高安全性之奈米級鋰電池材料的開發與落實應用，接下來將介紹目前奈米級鋰電池材料與奈米級鋰電池應用之開發進展現況。

奈米鋰電池應用

鋰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1GHz CPU而增加耗電量，以及LCD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，包括提升電池能量密度、降低重量與智慧型電源管理。未來行動電話從2G提升至3G時，不論是GSM、WCDMA等系統，所需要的電池能量密度都需要明顯的增加。目前薄型鋰電池系統的重量能量密度雖有顯著的提升，但主要是罐體外殼的輕量化，在電極材料的性能提升上，進展較少。針對3G所強調的高體積能量密度＞420 Wh/L要求，目前薄型鋰電池的體積能量密度（340～360 Wh/L）仍無法符合其規格目標。未來各種多功能的手錶（Multifunctional Watch），將具有 Phone、DSC、MP3等功能，此時對能量密度高且薄型化鋰電池的需求更加迫切，另一方面3G行動電話與結合電腦、PDA、行動電話等功能的行動資訊與通訊終端產品（Mobile IA），將大量地被使用，對具有高能量密度的鋰電池同樣迫切需求，如(圖二)。因此開發高容量及高功率的奈米級鋰電池材料，並應用於新世代的奈米鋰電池上，是全世界鋰電池業者目前最重要需突破的目標。

《圖二　3G行動電話對電池能量密度的規格需求》

＜資料來源：IIT、工研院材料所＞

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）的市場佔有率最高約30％，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，如(圖三)。

《圖三　具奈米氧化物鍍層之負極碳材表面結構圖》

＜資料來源：工研院材料所＞

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(圖四)。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，如(表一)；將此技術應用於石墨負極材料，更可以大大提升石墨在PC-based電解液系統的壽命。這主要是因為靠石墨表面上的奈米鍍層可以防止石墨層表面與電解液的反應，而抑制石墨層的膨脹與剝離，並使電池的容量與壽命延長。

＜資料來源：工研院材料所＞

＜資料來源：工研院材料所＞

《表一　奈米改質型負極材料之性能與價格分析》