全固態電池介紹 (II)
超電容與電池的差異性
研究上的突破與困境
電池內部材質從液體電解質進化到固體電解質經歷了一系列的挑戰，其中包括：
- 如何減少固態電解質在室溫下的導電性
- 如何讓接口處的動力學反應變慢
- 如何做出無縫隙的接口並妥善維持
1. 降低固態電解質在室溫下的導電率
與傳統液體電解質電池相比，固態電池的離子導電率較低，
離子在固態或聚合物中需穿過晶格 (Lattice) 與晶粒邊界 (Grain Boundary)，較難移動，
鋰離子 (Li+) 在固體中的導電度比在液體中低大約 2~4 個數量級 (Orders ofMagnitude)，
此流動性降低的情況與高活化能屏障 (Activation Energy Barrier)、溫度有關，
體積大的導電度將遵循阿瑞尼斯法則 (Arrhenius Law)，
並透過下列方程式將直流離子導電率σ、溫度 T 連接起來：
- σ 為直流離子導電率 (S‧m-1)
- σ0 為前指數因子 (pre-exponential factor, S‧m-1)
- Ea 為活化能 (Activation Energy) (J)
- Kb 為波茲曼常數 (Boltzmann Constant, 8.61×10-5 eV‧K-1)
- T 為熱力學溫度/絕對溫標 (Absolute Temperature, K)
在溫度較高的情況下，離子有較高的熱能，
有助於克服活化能障礙，能更自由的穿過固態電解質晶格之間，
因此，固體電解質的離子導電度在溫度較高時會上升
2. 反應較慢的接口動力學
由於固態與固態之間的接口較複雜及固態電解質中離子傳輸的特性，
可在全固態電池的接口處觀察到較高阻抗，
這是因為電化學與物理因素的綜合作用，
包含離子傳輸減少、電荷轉移動力學、接口層形成等
3. 製作與維持無缺陷的接口
電極和電解質材料之間的一致性與無缺陷接口，對於維持電池性能非常重要，這在製造過程中是另一項巨大難題，
全固態電池在歷經充放電後，可能會因電池本體膨脹或收縮而產生缺陷，此現象又稱作體積或尺寸變化，
主要是因為在電化學反應過程中，固態電極材料中的離子輸入和輸出所導致，
這些體積變化會造成機械應力、電容衰減、枝晶形成、接口不穩定等現象，
可能會對材料造成不可逆的損壞，甚至會在固態電解值-電極接口處發生毀滅性故障，進而影響到電池整體循環壽命，
目前有些全固態電池已被開發，但仍需針對性能、穩定度、如何大量生產等去進行改良
圖 2：電化學設備在全固態電池研究的應用範圍
資料來源：BioLogic Learning Center – What are All-Solid-State Batteries
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