隨著人類生活演進，大多數人十分仰賴可攜式電子產品為日常生活帶來的便利性，而維繫這種便利性的幕後最大功臣莫過於提供「行動能源」的可充電式電池。電池技術經過數10年改良，最終由鋰離子電池(Lithium Ion Battery)脫穎而出，舉凡手機、筆記型電腦、數位相機及MP3等可攜式電子產品，均已成為鋰電池獨占鰲頭的應用範疇。
滿足可攜式電子產品需求 能量型鋰離子電池游刃有餘
相對於「能量型鋰電池」或「高能量鋰電池」，還有另一種稱之為「功率型或高功率鋰離子電池」。在鋰電池技術發展初期並無這樣的分類，是在高功率鋰電池技術開發成功後，才針對鋰電池的性能與應用市場做進一步的區隔與定義。顧名思義，能量型鋰電池是指具高能量密度，但只能低功率放電的鋰電池，功率型電池則正好相反。為了方便敘述，本文中所提及的鋰電池，若非特別註明，均為能量型的鋰離子電池。
能量型鋰電池可連續放電的最大電流在1C以下，這裡的1C代表相對於電池電容量一倍的電流大小，所以對於一個具有1Ah電容量的鋰電池，其1C放電電流即為1A，約可連續放電1小時。因為能量型鋰電池中電極材料設計的特性，無法承受大電流的充放電，如果以較高電流對電池進行充放電時，會造成電池的永久性損害，因而大大降低電池性能，甚或引發安全上的使用疑慮。在電池的設計上，由於須考慮其低功率且長時間放電的應用特性，所以充電速度也相對較慢，往往需數小時之久才可充飽電力。
從產品應用觀點來看，不難想像為何幾乎所有可攜式電子產品均仰賴能量型鋰電池。以現代幾乎人手一機的行動電話為例，在不通話的情況下，至少須待機3天以上，約相當於0.014C(1/72)的放電電流，即使在手機通話的狀態下，一般手機也至少可連續使用兩小時以上，相當於0.5C的放電電流。由於行動電話的最大操作功率僅在數瓦之間，一般具有約800～1,600mAh電量的能量型鋰電池應付這類商品需求游刃有餘。因此只要電子商品放電功率在數瓦到數十瓦的應用範圍內，能量型鋰電池不失為最理想的電力來源。
各類能量型鋰電池各擅勝場
由於負極材料對各種應用鋰電池來說變化不大，因此鋰電池材料均以正極為主，但不同的應用須選用適當材料才能符合相對應的需求。
早期鋰電池負極材料採用鋰金屬，但因活性過高而改用石墨等層狀碳材作為鋰離子嵌入的載體。對能量型鋰電池而言，最普遍的商品化正極材料則以鋰鈷氧化物為主，其化學式可以Li1-xCoO2來表示。充電時，鋰離子會從正極釋出，然後遷移並嵌入負極的層狀結構中，此時材料的化學位能變化會使得電池正負極之間的電位差逐漸升高。以鋰鈷氧電池來說，其充飽電時的電位約在4.2伏特(V)上下，若繼續對電池充電，會造成過充電並產生安全性疑慮；放電時則反應反向，電池電位會逐漸降低，一般以2.7～3伏特為放電下限，繼續放電會造成過放電，同樣會對電池中的材料造成永久性傷害。
值得注意的是，電池的性能和安全性受環境溫度的影響很大，在不同溫度下，電池均有其安全操作範圍，尤其是高溫對電池的傷害更為顯著，一般要求電池充電時應處於環境溫度45℃以下，放電時環境溫度不得高於60℃。
鋰電池在消費者使用時均已組裝成為電池組(Pack)，其目的在於利用外在電路設計保護電池在正常且安全的狀態下運作，未組裝成電池組的電池則稱為電池芯(Cell)，電池芯因不同使用或製造考量常會製作成硬殼的圓柱型(Cylindrical)或角型(Prismatic)及軟包裝的袋型(Pouch)。各種外型設計均有其優缺點，以硬殼的圓柱型電池來說，其捲繞的電池芯結構有利於連續性生產製程設置，雖然電池堆疊組裝時會有較多空間浪費，但其圓形結構卻有利於熱量發散。硬殼包裝的電池為預防爆裂危險，通常有洩壓閥(Vent)的裝置，其內部可能也有其他的簡易安全設計，如斷電流裝置(Current Interrupt Device)和隔離膜高溫時的閉孔設計等。
檢視鋰電池安全性的五大面向
針對鋰電池的安全性和相關設計，可從充電、放電、環境、品質及內短路五個面向來考慮鋰電池的安全性能。
避免過充引發短路
鋰電池免不了重覆充電，一般鋰鈷氧正極材料的鋰電池不太能在短時間內充飽電力，在快速充電狀態下，充電電流過高，正極釋出的鋰離子來不及正常排列並嵌入於負極的晶格中，便會聚積於負極材料的表面；當這些離子態的鋰得到電子還原後，將產生不穩定的鋰金屬結晶造成危險。而當電池過充電超過4.2伏特時，負極中的鋰離子達到飽和狀態，也會聚集在材料表面，產生所謂的鋰金屬針晶(Dendrite)，成為造成鋰電池微細短路的原因之一。
為了避免上述充電問題，電池設計者嘗試加入許多添加劑或利用材料改質的方式，來提升電池最高充電電壓的耐受性；在電池設計上，也可藉由提高負極對正極之當量電容的比值(A/C Ratio)，來避免過充電時鋰金屬的沉積。理想狀態下，當負極對正極的當量電容比值為1時，就不會浪費材料，但實務上，此比值通常是控制在1.05～1.1之間，用以增加負極材料中容納鋰離子的能力，如果為了增加鋰電池中的自由空間或降低成本，將此比值降低到1.05以下，可能會提升電池的危險性，特別是在過充電的狀態下。
此外，也可以利用電池組中的保護電路設計來達到充電時安全防護的要求，最常見的便是充電電壓保護和最高電流限制，這些都是非常基本且實務性的做法。
控制放電電流
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| 圖1 18650型之鋰鈷氧電池定電流放電曲線範例 |
和充電問題相同，放電亦是鋰電池的危險因子之一，尤其是在電池過放電後的回充，可能引發電池內進一步放熱的副反應而產生危險。一般鋰鈷氧電池在放電電壓低於2.4伏特時可能造成部分材料崩解與破壞，所以設定3.0伏特為放電終點電壓是為了電池的性能和安全著想。事實上，2.4～3.0伏特間的放電量，相對於整體電池放電量很低，從放電曲線(圖1)便可看出，從3.0伏特放電到2.4伏特僅整體電容量的2～3%左右，為了追求這點邊際性能而犧牲電池壽命與安全性，相當不值得。
實務上為避免過大的放電電流，有些電池會設計類似保險絲的裝置來切斷電路，或使用正溫度係數(Positive Temperature Coefficient, PTC)電阻等元件材料，利用電池在大電流放電時的放熱，使該元件內阻提升，從而降低電路上的電流大小。此外，直接在保護電路加上限電流和最低放電電壓的限制，也是相當普遍的作法。
妥善處理散熱
鋰電池對環境溫度效應相當敏感，從化學與材料的角度來看，當溫度提高時，化學反應速度也會增加。根據理論，溫度每升高10℃，化學反應速度將被活化提升兩倍，所以不僅電池的自放電率(Self Discharging Rate)會提升，鋰電池中副反應也可能被激化，不利的副反應與產物將激化更多放熱反應，可能進一步觸發更多危險情況發生。
當電池在極端的氣候環境下，不管是耐受極高溫度或大幅度溫度變化，對電池本身來說，都是一項極大的考驗，所以除了電池本身的材料特性外，其結構與機械強度設計也應列入安全考慮。好的電池殼，其氣密性不僅可確保電池使用壽命，還能避免因電池外物質混入而引發預期外的放熱反應。
安全設計上，正溫度係數元件或材料及電池中隔離膜的閉孔效應，在高溫時可暫時阻斷電池芯的內電路，有些電池設計會加上溫度感應斷路器或直接在保護電路板上加上溫度感應器或主動式控溫裝置，控制電池在正常的溫度範圍內運作。
慎選電池材料
有些電池專家認為，電池材料的特性其實就已決定該電池的安全性等級，主因是材料本身的活性與穩定性很難被改變，利用改質穩定材料特性的效果有限，這也是鋰電池製造商總是利用各種方式或外加安全設計來降低風險的根本原因。然而這些安全裝置的效能及可靠度，與良好且一致的製造品質高度相關，安全的電池設計若遇到品質不佳的製造流程，依然是具危險性的產品。在更安全的材料開發出來前，對於鋰電池的使用，毋須因噎廢食，但對於品質的要求，始終為消費者和製造商在面對安全底線時的基本堅持。
阻絕內短路發生
鋰電池的內短路，是所有安全問題中最為棘手難解的課題，造成內短路的成因很多，各種不同情況或原因可能引發不同程度的內短路和危險性(圖2)。幾乎沒有安全設計能完全預防內短路的發生，某些安全設計在內短路狀態下可降低電池爆炸或起火的風險，但效果有限。截至目前為止，尚未出現能完美複製或模擬實際電池內短路狀態的技術，所以在安全性驗證方面添增許多困難性。
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| 圖2 鋰電池內短路的可能成因 |
許多電池研究機構或電池製造商提出許多技術對策，包括在電極材料或隔離膜表面塗布特殊材料，以緩和或阻斷內短路反應的發生；或是利用特殊添加物，在電池內短路發生時，幫助提升電池內阻和消散熱量，甚或使用難燃性電解液降低電池起火風險。然而這些技術，仍須經過市場考驗來證明其適用性與可靠度。
利用電池熱模型分析內短路成因
內短路一直是鋰電池安全性能的最大考驗，事實上，近10年來已有不少電池專家研究鋰電池內短路的發熱機制，提出許多熱模型，雖然各家模型稍有不同，但基本概念一致，可用下列方程式表示：
式(1)代表典型圓柱型電池中的熱量傳遞模型，在熱傳遞座標上分成r、θ和z等方向，kr、kθ和kz則分別代表在該方向的熱傳導係數。利用圓柱座標分割節點的方式，再利用有限差分法(Finite Difference Technique)來計算圓柱型電池上的熱量分布。電池內部以傳導方式，外部則以對流和輻射的形式讓熱量傳遞，利用邊界條件便能將電池內的溫度分布模擬出來。Qbattery則是在電池內短路發生時所產生的熱量，根據式(2)可得知，該熱量是三種熱源的加總，其中QEchem代表電池在內短路發生時，電池整體因電化學反應而產生的熱量，因為電池整體的放電效應，該熱源均勻分布於整個電池芯中。QChem和QElec則分別代表因內短路點的局部放熱反應而觸發的化學材料分解或反應熱，以及因短路電流流過該短路點時所產生局部的焦耳熱(J=I2×R)。
這些理論式邏輯十分合理且清楚，但在量測各熱源的數值時，仍有其基本假設，由於短路點的阻值無法直接量取到，所以短路點焦耳熱的測量與估計是最大挑戰，但可藉由元件材料分割取樣進行量測與估計，雖有誤差但仍具參考價值。這個測量非常重要，因為由理論式得知，短路點的阻值與焦耳發熱量，足以決定性地影響電池是否會因短路發生而導致熱失控(Thermal Runaway)。
這樣的熱模型模擬結果，也可與許多短路模擬測試方法的結果做比對，只要量測誤差得到適當控制，並無過多的模型簡化，仍有機會得到可靠的分析結果。雖然目前為止，沒有任何測試方法可模擬電池的深層短路，然而數學模型的模擬並無這類限制，儘管模擬的誤差範圍暫時無法估計，但仍可作為電池設計的重要參考數據。
內短路測試重要性與日俱增
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| 表1 鋰電池標準中的基本測試項目 |
在所有國際標準中，較被廣納接受的鋰離子電池安全標準包含IEC62133、UL1642和UN38.3，其中IEC和UL標準主要是針對產品的使用狀態與環境來考量其安全性能，而UN則是針對鋰電池在運輸交通上的安全性能來制定規範。表1中所列即為這些標準中的樣品送樣測試項目，大致可分為三大類，分別是電性測試、機械性測試和環境測試。電性測試是考量使用者的合理誤用情形，以及充放電的迴路上可能失效情境下的危險性評估；機械性測試是考慮電池在一些可能的外力破壞下，評估對電池可能造成的損壞；環境測試則是檢測在某些惡劣的溫度壓力條件下，對電池安全性的威脅。
近期內關於鋰電池國際標準的修訂討論，很多都與內短路有關。2、3年前開始，有電池使用者建議針對鋰電池生產製程進行規範，但這可能涉及廠商的製程機密，而且要提出適用於各家廠商不同製程的具體方案仍有困難。除此之外，完美的製程僅能降低危險發生機率，卻不能改變發生危險時的嚴重程度。近1年來，鋰電池國際標準的修訂，改為對內短路測試方法的討論，希望藉由內短路的測試，來評估電池設計對內短路的耐受力。然而，要在不破壞電池完整性的前提下，真切模擬鋰電池的短路狀態，同時兼顧測試方法的再現性與可靠度，這樣的目標至今仍無法達成。因此儘管已提出許多方法，各界仍有許多不同意見，所以無法定案。由此可知，針對鋰電池內短路測試方法的開發與改良，是目前為止鋰電池安全標準開發的最大目標與挑戰。
鋰電池安全仰賴諸多標準把關
綜上所述，鋰電池的安全性不能從單一角度切入定論，電池製造業者固然有直接責任，但終端產品擴張迅速的性能需求也不斷挑戰鋰電池性能的極限。因此對電池製造商來說，性能與安全性的平衡，一直是最堅困且沉重的考驗。
要保障鋰電池的使用安全性，電池設計者應就材料極限為前提，視安全為品質的最高原則，或藉由電池新材料與新設計的導入，擴張其安全性能的空間，同時落實完整的製程品質控管，確保電池的製造參數變異在預期的範圍之內。而安全標準的發展也應擔起把關責任，藉由測試方法的開發與改良，不僅可幫助使用者建立對商品的信心，同時也可提升產業驗證產品的安全性與可靠度，讓鋰電池的安全問題不再是阻礙鋰電池產業升級發展的最大夢魘。