【306技術趨勢】0百加速2.1秒的幕後推手-二次鋰電池 2025.06.23

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前言

二次電池介紹

結論

 

▋ 一、 前言

  二次鋰電池自1990年代初商業化以來，已經在全球範圍內取得了顯著的市場佔有率。其相較於傳統鉛酸電池和鎳氫電池的優勢包括更高的能量密度、更長的使用壽命及更輕的重量。隨著技術的進步和需求的多樣化，二次鋰電池已不僅限於移動電子設備，還廣泛應用於電動車（EV）、儲能系統及各種手持式產品中。特別是電動車特斯拉的崛起，為二次鋰電池技術的發展與應用提供了強而有力的推動，根據特斯拉的年度報告，2016年特斯拉的全球交付量約8萬輛，短短不到10年，在2023年，這一數字已經突破了180萬輛[1]，如圖一所示。特斯拉的銷售增長顯示出市場對高效能鋰電池驅動電動車的需求日益強烈，並證明了鋰電池技術在推動全球電動車市場發展中的關鍵角色。

  雖然二次鋰電池優點很多，但缺點也是顯而易見，新聞中時常可見充電式產品或電動車內的電池熱失控，導致火災或爆炸，故各國皆制定了鋰電池的相關測試規範，要求二次電池必須符合測試標準，才可在該國銷售；因此本篇除了介紹二次電池外，也將針對目前國內二次電池測試標準-CNS 15364(2013年版)做一簡介。

 

▋ 二、 二次電池介紹

  二次電池，又稱可充電電池，是一種能夠透過電能充電並重複使用的電池。與一次電池不同，二次電池可以經過多次充放電循環，壽命較長，因此被廣泛應用於日常生活和工業領域，二次電池與一次電池差異如表一所示。

  二次電池是利用可逆的化學反應來儲存和釋放能量：

• 充電時：
  外部電源提供能量，使電池內部的化學物質回到初始狀態，儲存電能。

• 放電時：
  電池內部的化學反應釋放能量，提供電力給外部設備。

表1. 一次電池與二次電池差異比較

特性	一次充電	二次充電
是否可充電	否，使用完後無法再充電使用	是，可多次充放電循環使用
使用壽命	只能使用一次，直到能量耗盡	可充放數百到數千次，壽命較長
成本	便宜，初期成本低	初期成本較高，但長期使用更划算
能量密度	一般較高	通常較低，但技術進步提升中
環保性	使用後即成廢棄物，污染較大	可重複使用，污染較小

二次電池種類
  二次電池根據其化學成分與電化學反應的不同，可分為幾種類型如表二所示，每種電池都有其特點與適用範圍：

表2. 二次電池種類及特性

類型	化學組成	優點	缺點	常見應用
鉛酸電池（Lead-Acid）	鉛 + 稀硫酸	成本低、放電電流大、穩定性高	體積大、壽命短、有毒污染	汽車啟動電池、UPS、太陽能儲能
鎳鎘電池（Ni-Cd）	鎳氧化物 + 鎘	耐用、可快速充電	有記憶效應、含鎘污染嚴重	電動工具、無線電話（舊機型）
鎳氫電池（Ni-MH）	鎳氧化物 + 金屬氫化物	環保、能量密度高於Ni-Cd	自放電率高、壽命略短	相機、玩具、電動刮鬍刀
鋰離子電池（Li-ion）	鋰化合物 + 石墨	高能量密度、壽命長、輕巧	成本較高、需保護電路	手機、筆電、電動車
鋰聚合物電池（Li-Po）-Acid）	鋰化合物 + 固態或膠狀電解質	超薄可彎曲、重量輕	成本高、能量密度略低於鋰離子電池	無人機、穿戴裝置、手機
鈉離子電池（Na-ion）（新興技術）	鈉化合物	成本低、原料易取得	能量密度較低	儲能系統（開發中）
固態電池（Solid-State Battery）	固態電解質 + 鋰或鈉	更安全、不易燃、能量密度高	成本高、技術尚未成熟	未來的電動車、穿戴裝置

  其中二次鋰電池因為具有「高能量密度、輕量、壽命長及無記憶效應」等優勢，成為目前電動車、可攜裝置與儲能應用的首選，故本篇將以二次鋰電池特性及測試規範進行介紹。

二次鋰電池保護機制
  雖然二次鋰電池有許多優點，但也伴隨著一定的潛在風險，例如當電池因過熱或內部短路產生大量熱量，引發連鎖反應，使電池溫度不斷升高，進而產生燃燒或爆炸；另外對二次鋰電池進行過度充電或過度放電時會嚴重影響電池壽命與安全，故設計二次鋰電池時需將保護機制考慮進去，例如在CNS 15364法規中就有要求單電池應具備壓力釋放機構，或應具備特殊之構造，在特定值或比率下可釋放引起破裂、爆炸或自燃之過量內部壓力[3]。

圖二是二次鋰電池剖面圖，其結構大致可分為正極端子、密封圈、安全閥、PTC、負極板、隔離膜及外殼，其中保護機制有下列幾項：

1. 安全閥：關鍵的被動保護元件之一。當電池內部壓力異常上升時，它會自動啟動，釋放壓力與氣體，避免發生膨脹、破裂或爆炸。其主要功能有以下 3 種：
   • 釋放內部壓力：當電池內部氣體壓力升高（如因過充或熱失控），安全閥會破裂或打開，將壓力釋出，避免爆炸。
   • 預防外殼破裂：減少金屬外殼在壓力下爆裂噴射的風險，確保外殼完整或只局部釋氣。
   • 中止危險反應鏈：一旦安全閥開啟，電池電解液與氣體外導導致內部反應終止，阻止熱失控持續發展。
2. 隔離膜：極其關鍵的安全與性能元件之一，雖然它只是薄薄的一層薄膜，卻在電池運作中扮演著雙重保護和高效導通的重要角色，其主要功能有以下3種：
   • 將正極與負極物理隔開，防止電子直接接觸造成短路。
   • 離子導通：雖然絕緣電子，但隔離膜具有微孔結構，能讓鋰離子在充放電時通過，完成電池反應迴路。
   • 熱關閉保護功能，當溫度達到約 130°C（視材料而定）時，孔洞會封閉 阻止鋰離子流動，此時電池立即中止反應。
3. PTC：一種自復式溫控保護元件。其電阻值會隨著溫度上升而急劇增加（正溫度係數）。當電流或溫度過高時，PTC 的電阻變大，限制電流通過，防止過熱與短路。當溫度回復正常時，PTC 的電阻會下降，電路恢復正常。

二次鋰電池測試簡介

  為確保二次鋰電池的安全及穩定性，國際間皆訂定了相關的檢測標準，像是國際通用的標準IEC62133、電池運輸規範UN38.3…等等；以我國來說，二次鋰電池測試的標準有CNS 15364(2013年版)、CNS 62133-2(2018年版)及CNS 14857-2(2013年版)，但因全部測試內容過於龐雜，故本篇將聚焦於CNS 15364(2013年版)，其對應的國際標準為IEC62133:2012，以下將針對二次鋰電池的測試項目做一介紹。

1. 定電壓連續充電測試：此項測試的目的是模擬二次鋰電池放入充電器充電後忘記拿出來之情形；測試方式是將充滿電的二次鋰電池再依製造商規定之充電條  件連續充電7天，測試後電池不得發生起火、爆炸或電解液洩漏之情形[3]。圖三是定電壓連續充電測試照。
   
   圖三、定電壓連續充電測試照
2. 外部短路測試：此項測試的目的是模擬誤將二次鋰電池正負極相連接之情形；測試方式是將充滿電之電池，在正極與負極端子間連接1個總電阻為80±20 mΩ之外部電阻加以短路。使電池在此試驗狀態維持24小時或表面溫度降至最大溫升之20%，測試結束後不得發生起火或爆炸之情形[3]。
3. 自由落下測試：此項測試的目的是模擬二次鋰電池從高處摔落之情形；測試方式是將充滿電之電池從1 m之高度自由落下3次，使其落在水泥地上，測試結束後不得發生起火或爆炸之情形[3]。
4. 熱衝擊測試：此項測試的目的是模擬二次鋰電池置於極高溫下之情形；測試方式是將充滿電之電池置於循環對流式試驗箱中，箱中之溫度以5±2 ℃/min之變化率調升至130±2 ℃，單電池在試驗結束前10 min維持在此溫度下，測試結束後不得發生起火或爆炸[3]。
5. 擠壓測試：此項測試的目的是模擬二次鋰電池遭受擠壓變形之情形；測試方式是將充滿電之電池置於2個平面之中進行擠壓，以可釋出13±1 KN之液壓裝置，在產生最不利之結果下施加擠壓力。在達到最大擠壓力、電壓突降至原電壓三分之一，或變形程度達原尺度10%時，將擠壓力解除（任一條件最先發生即可將擠壓力解除），測試結束後不得發生起火或爆炸[3]。
   
   圖四、擠壓測試照
6. 強制放電測試：此項測試的目的是模擬將二次鋰電池強制放電之情形；測試方式是將已放電之電池，以1 It(A)之電流進行90 min之反極性充電，測試結束後不得發生起火或爆炸[3]。
   
   圖五、強制放電測試照

▋ 三、 結論