Chapter 1 - 關於分析電池與材料的方法

鋰是所有金屬中最輕的元素，其具備最佳的電化學勢(electrochemical potential)，每單位重量中相較於其他金屬可以提供最大的能量供給。科學家藉由其材料特性應用於電池中，自1912年開始了鋰電池的研究，至今，鋰電池改善人類許多生活，如應用於筆電、智慧型手機、電動車(EV)，甚至澳洲已經在2017年開發鋰電池的儲能系統。市場預測，於2020年鋰電池的應用將提升到40 billion。

然而，高度的重視，卻也造成了鋰電池原物料的危機。例如，於2018年初，電池市場預測2025年鋰的需求將從40%升至60~70%，又或者是，金屬粉末原料的供應短缺。將來，我們將面對的不僅是成本問題，更是可能會遭遇到沒有原料可以使用的情形。

學者與研發人員針對各電池組件進行開發與探討，為了改善上述問題外，改良鋰電池材料，提升電池能量密度、效能、安全性，同時又能守住成本，是各大廠商正在努力的方向。

關於鋰電池材料的研究與分析

如為解決晶枝問題，Rice University於負極塗上奈米碳管薄膜，當鋰離子從正極游離過來時，將會滲入於奈米碳管中，當放電時，儲存於奈米碳管中的鋰離子將釋放回正極。

為確認奈米碳管、石墨烯等材料的分布狀態，則有人以拉曼監控G Band(1580cm-1)與D Band(1360cm-1)的消長，如下圖所示：

我們亦可利用拉曼影像(Raman imaging)確認石墨的鋰化狀況(Lithiation):

除了電池原料的設計外，電池的效能亦會隨著電池製程方法而有所影響。如電極的製備，以球磨原料至微小顆粒後，添加黏著劑、活性物質等，塗佈於金屬箔片上，再進行乾燥、壓製而成。廠商利用ICP、XRD、SEM、Raman等設備，確認每一次的原料添加比例正確，顆粒均勻度與添加黏著劑後的分布狀態等。然而，以AA或ICP需要耗費前處理時間，使得產線停擺。

為了更即時得到物料製備的終點，亦有學者與廠商開始使用雷射剝蝕激發光譜儀(LIBS)，進行電池的分析。如正極材料廠商，其將三元材料鎳鈷錳酸鋰電極NMC打錠後，以雷射直接分析電極中Li、Ni、Mn、Co與雜質的濃度。

除此之外，為確認黏著劑PVDF在負極製程中，需要的混合攪拌終點，亦利用LIBS進行F與C在負極上的分布分析:

一顆電池的研究一直到商業販售，發展時間需要5~10年。在這一次的專欄討論中，我們希望能提供您更多便捷與有效的分析方法，協助您縮短研究與發展的時間。

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資料參考:

• 科技新報: 在鋰電池電極富奈米碳管，有望抑制晶枝生成提升安全性
• 科技新報: 這一波需求…讓鋰和鈷金屬原料估漲到2020年
• 科技新報: 2019電池產業投資關鍵法則
• 碳材披覆於矽／石墨／氮化鋁複合物之鋰離子電池負極材料性能研究
• 鋰離子電池的發展與應用
• Nanotubes may give the world better batteries
• How do Lithium Batteries Work?