浏览次
随着社会科技之进步发展，对于高电容量、高能量密度储存设备有大量的需求，虽然业界在正极材料与制程技术上有显着的改进，但是国际间逐渐重视资源再生再利用和环境的永续发展，因此，可再充放电锂电池概念的发展显得相当重要。
锂二次电池主要包括[1]，锂离子电池及锂聚合物电池。目前锂二次电池已经被大量应用于笔记型计算机、行动电话、PDA、摄录像机、数位相机、迷你光驱、蓝芽耳机等可携式电子产品上、工具机、不断电系统、民生电子产品、电动机车及电动自行车的电池，都以锂离子二次电池为研发基础。锂电池的电极材料包括正极与负极材料，其中正极材料（LiCoO2）占所有锂二次电池之材料成本比例为最高。在以原料资源取得为前题下，常以过渡金属氧化物经由Li+/Li的活跃性质制成高电压的正极材料，因此，Li是最具有吸引力的元素，而Li在此结构中则是扮演嵌入及嵌出的角色。锂二次电池结构除了Li元素外，到目前为止以下列元素或化合物，如：钴（Co）、镍（Ni）、锰（Mn）及此三元素（CoxMn1-x；CoxNi1-x；CoxMnyNi1-x-y）之化合物做为电池主体材料，其中最引人注目为钴（Co）系列最受学术界及市场欢迎（表一电池正极材料特性参考修改[1]），而钴（Co）也是影响电池性能中最关键的成本材料，其主要原因在于钴（Co）的价格。
表一锂离子正极材料特性
在现今注重永续经营及环境管理的国际竞争社会中，为提倡及推动环境保护及资源管理，以达成永续发展之目的，本文除了讨论如何将废电池、电池厂之废料有效处理再利用之外，并将再探讨如何提升粉体品质。在国内各种不同的产业，如：水泥制造业、陶瓷工业、金属粉末冶金、电子厂、食品业、涂料业、化妆品业、塑料业、射出成形及化学工业等产业中，为因应社会所需，将传统粉体研发过程所得之成果，成功地导入工业生产。
贰、典型之锂电池问题与处理方法
锂二次电池使用后，及电池厂废料产生之废弃物，在环境上即产生污染，也会影响到人类生命安全。而利用锂电池回收处理方法，可将高价之金属元素回收，再配制电池材料，达到资源再利用原则。
2.1废旧电池污染的过程：
当电池到达一定的寿命后，其电池在环境中会造成之污染如下[2]：
（1）电池→丢弃在自然界中→外层腐蚀→电解液溢出→进入土壤或地下→进入农作物或饮用水→损伤人体肾脏。 （2）电池分解有害物→进入鱼体内→人食用后→神经系统受到严重破坏。
2.2锂电池的回收与处理
在锂二次电池回收再生处理的方式主要可分为：干式电池处理法、湿式电池处理法两种[1]。
（1）干式电池处理法
干式法是将锂电池，以高温进行烧结后回收，处理的主要流程如图一所示。
废弃的锂电池由回收站收集后，依电池的种类与大小，进行分类。而分类的锂电池可能有未完全放电，所以处理时必须做放电的程序，以避免因外力与热解而产生燃烧或爆炸的危险。经放电处理后的废电池，再进行去壳与切割的动作，此动作可分散烧结处理时，所产生之剧烈反应，进而发生危险。
在经烧结炉处理过程中，在700~900℃藉由熔点与比重的差异，分别将Co、Ni、Fe、Al等金属回收。至于锂金属，则是以Li2O的气体形式逸出，然后再与H2O、Na2CO3反应形成Li2CO3予以回收。
图一干式电池处理法[修改自电池信息网]
（2）湿式电池处理法
湿式法主要是以无机酸溶液，将废电池中欲回收之成分进行萃取，再予以纯化回收。如同干式法一样，在进行废电池处理时，亦必须将电池保持在隔绝水分与空气的环境中进行，主要流程如图二。
废弃的锂电池经过放电处理及电池去壳与切割程序后，将电池碎片放进吸收室再以无机酸溶液喷淋，然后将锂电池所含的电解液及锂金属成分予以萃取吸收，在分别进行纯化后供再生使用。而其余的残渣部分则依各种金属的特性不同进行分离，纯化后供再生使用。
图二湿式电池处理法[修改自电池信息网]
2.3钴（Co）资源再利用
在生产锂二次电池之成本考虑上，由于钴的价格是影响电池性能中最关键的成本材料，可经由上述废电池资源再生处理方式[3]，提炼金属元素钴，并有效的导入工业生产，降低锂二次电池之生产成本，其流程如图三所示（资源再利用流程图）。然而因用途不同，钴之提炼方法也不进相同，以锂正极材料制程如图四（锂钴氧制程流程图），提供电池厂正极原料，以达资源不浪费。
参、讨论与未来应用
新材料锂离子系列，经由资源再生提炼废电池及废料中之高价钴，在生产上可明显降低成本（民国91年每公斤约可节省美金4元），但在制造上，粉体自身问题对电池电容量的影响及制程上影响之层面牵涉较广，且依前文之典型锂电池问题与处理方法，对于锂钴氧化物粉体则有延伸问题之讨论。
3.1粉体自身问题
第一代二次锂电池为锂金属电池[1]，因为容易短路且曾经发生过爆炸，所以一直未被商业化。其主要原因为在充电过程中，电池的负极表面会生长树枝形状的锂，这树枝状的锂会刺穿隔离层，导致正极与负极相互接触而短路。为改善此不安全因子，第二代锂离子电池终于诞生，现阶段之研发技术已十分成熟，其锂离子嵌入/嵌出之行为。但由于能量密度的要求逐步提升，锂离子电池无法完全满足需求，终将回归金属锂二次电池。
由于材料随着粒径缩小，其表面原子所占比例、表面能、原子结构能带与能态等均产生很大变化。加上量子限域效应，会使得声、光、电、磁、热及力学等特性呈现新的小尺寸效应。如图五所示，LiCoO2合成粉体之SEM图，粉体形貌及表面积大小会影响充放电的活性，但仍需考虑其安全性，在粉体形貌之控制上，除了前原物料粒径之控管外，其次就在于烧结之温度订定，而使得粉体本身，在单一粒径上形貌完整，表面积将随着形貌而变化，因而粉体表面获得改善。安全性问题是指过充电时，是否带来危安事件如：爆炸等；过放电则会破坏主架构，这些问题之总结，在于粉体本身是否能有效控制外观与架构。
图五SEMLiCoO2粉体外观
关于此问题，目前学术界在实验室中之研究，讨论出非常多的可能性，并且在粉体本身的外观与架构上获得明显的改善，但改善之方法，主要归纳于：
1.温度订定：寻找锂离子前身原料适合之温度范围，以达到粉体烧结品质。
2.气份考虑：在粉体烧结过程中，气体流动性不佳，常会造成部分粉体与过多氧的结合或烧结时因氧供应不足，将使粉体产生多余或不必要的根离子出现，进而影响电容量的稳定性。
3.热传之流动：热的传导主要在于烧结室中的每一个断面层，热以六个方向传导，热流传导至烧结物后，若热流在烧结物之流动性不佳，会造成在烧结室中整体热流量之不均匀分布而影响锂离子电容量。
4.研磨：在研磨过程中，以碰撞自然分离为最佳，原因在于粉体经研磨后，会产生自然的分裂面。然而，粉体在不是自然的分离原则下，使得外表会形成不规律之断口，这常影响粉体单位体积密度，而影响每单位之电容量。
依上述四点，为配合资源再利用，导入工业生产时，也必需详加考虑，但实验室必竟是小量生产，导入工业生产时，量的放大，温度、气份、热传之流动及研磨方式，自然条件也不一样，为了达到解决粉体自身问题，同时在放大的制程设计与实验室的制程设计，设备的理念就必需相互关联。
3.2未来之应用
建立废电池与电池产业资源回收系统，从系统中提炼金属元素钴，除了在配制成锂钴氧化物外，其应用如表二。
表二钴原料之应用
肆、结论
工业界目前已经形成非常重要的互助角色，且工业发展更是突飞猛进。今日已迈入新素材产业兴起、尖端技术推展的新产业革命时代。这些新产业分别利用各种技术更新，而粉体部份已占很高的比重。粉体工厂设计是组合高度粉体制程技术与控制技术的新技术，方法当然异于以往。由于国内锂离子电池产业之原物料供应尚未建构完成，虽然有几家国外原物料供货商，但其采购成本甚高。本研究针对资源回收再利用，从锂电池及电池厂废料，提炼高价钴，再合成正极材料，对未来提供国内外锂二次电池材料之供应，在以资源不浪费为前题下，不但提升国内电池开发的质量，并希望能推广至国际市场。
参考文献：略
