鋰電池是什麼？鋰離子電池充放電的原理與安全

生活中的例子

手機、筆電、無線耳機、電動車。需要充電、反覆使用的電池，大多是鋰離子電池。行動電源裡面裝的，也是同一種電池。

新聞常報導行動電源起火，以及帶上飛機的規定。想同時了解它的方便和危險，從內部的原理看起是最快的路。

電池在做什麼

電池並不是把電本身裝在盒子裡。它是一種裝置，把內部物質起化學反應時的能量，以電的形式取出來。反應進行時，電子會通過電池外面的電路流動。這股電子的流動，就是讓手機運作的電流。

像乾電池那樣用完就結束的電池，叫做一次電池。反方向送電就能讓反應回到原狀、可以反覆使用的電池，叫做二次電池（充電電池）。鋰離子電池是二次電池的一種。把電取出來叫做放電，把電重新存回去叫做充電。

類似的零件電容器不用化學反應，只是把電分開放在面對面的兩片板子上（「電容器是什麼？」）。它能在一瞬間存入和放出，但能存的能量，電池大得多。

原理①：裡面裝的4樣東西

電池裡有2片當作電的出入口的板子，叫做電極。負的一側叫負極，正的一側叫正極。負極通常用石墨。石墨是碳的一種，也用在鉛筆芯裡，由薄薄的層一層層疊起來。

正極用含有鋰的金屬化合物。代表性的是鈷、鎳等金屬和氧、鋰結合而成的金屬氧化物。也有用鐵和磷的材料，叫做磷酸鐵鋰。

2片電極之間，充滿了一種叫電解液的液體。電解液能讓鋰離子通過，但不讓電子通過。它的成分，是在有機溶劑這種易燃的液體裡溶入鋰鹽（根據日本負責檢查產品安全的機構NITE的資料）。

電極彼此碰到的話，電池裡就會發生短路（電的捷徑）。防止這件事的，是一層叫做隔離膜的薄塑膠膜。膜上有細到看不見的孔，離子可以穿過去。

原理②：放電和充電時發生的事

充好電的電池裡，大部分的鋰都在負極石墨的層與層之間的空隙裡。對鋰來說，這裡是被硬塞進去的位置。移到正極那一側，能量會變低，比較穩定。

接上手機後，負極的鋰會放掉1個電子，變成鋰離子。離子穿過電解液和隔離膜，移到正極。放掉的電子不能通過電解液，所以繞外面的電路前往正極。這股電子的流動，讓手機運作。

到達正極的離子會進入金屬氧化物的空隙，從外面繞過來的電子也由金屬氧化物接收。重點是離子走內部的捷徑，電子走外面的遠路。如果電子能從內部通過，就沒辦法在外面取出電流。

充電時，充電器從外面加上電壓，把這股流動反方向推回去。鋰離子從正極回到負極，電子也經由外面的電路回到負極。理想情況下，鋰不會減少，只是在兩側之間來回。

為什麼用得這麼多

第一個理由是，以重量來說，它能存很多能量。能量的多少，用Wh（瓦時）這個單位表示。能使用1瓦的電功率1小時的量，就是1 Wh。每1 kg能存多少Wh，叫做重量能量密度。

數字來自電池解說網站Battery University的表格（資料沒有日期，於2026年10月確認）。這是1顆電池單體（稱為電芯）的數值，會因產品和年份而不同。

第二個理由是，1顆電芯的電壓高。鎳氫電池是1.2 V，鋰離子電池約3.6〜3.7 V（依產品標示而定。Battery University）。1顆電芯就有約3顆鎳氫電池的電壓，所以手機用1顆電芯就能運作。

mAh與Wh：兩種「容量」的差異

電池的規格上，常寫著「4,000 mAh」之類的數字。mAh（毫安時）這個單位，表示能讓幾毫安培的電流流幾小時。4,000 mAh，就是能讓400 mA流10小時，或讓4,000 mA流1小時的量。

不過，mAh是能流動的電量，不是能量本身。因為同樣的電量，用越高的電壓推出去，能做的功就越多。比較能量時，要用Wh。

換算只要1個乘法。用Ah表示的容量乘上電壓，就是Wh。例如4,000 mAh（4 Ah）、標示電壓3.7 V的電池，就是4 × 3.7 = 約15 Wh。

用行動電源來想想看。10,000 mAh、裡面的電芯是3.7 V的話，約37 Wh。對15 Wh的手機來說，算起來約可充2.5次。實際上，轉換成USB 5 V的電路等會把一部分變成熱，所以次數會比這個少。只有電壓相同時，才能直接比較mAh。

充電的步驟：先定電流，最後定電壓

鋰離子電池不是只要把電灌進去就好。多數情況下，會分2個階段充電。第1階段是持續送入固定大小的電流。這叫做定電流（CC）充電。

送入電流後，電池的電壓會一點一點上升。到達上限電壓（一般的電芯是4.20 V）後，就切換到第2階段。這時把電壓保持在那個值，讓流進去的電流自然變小。這叫做定電壓（CV）充電（Battery University、Texas Instruments）。

電流變得夠小後，就停止充電。因為持續送電，或超過上限硬塞，電池會受損，也會有危險（Battery University）。

蘋果也說明，iPhone的電池充到80 %前充得快，之後會慢慢充。覺得「只有最後很慢」，主要就是這第2階段的關係。

看守電池的晶片

遵守這個步驟、看守電池狀態的，是半導體晶片。手機電池周圍，有好幾顆功能不同的晶片在運作。

保護IC：異常時切斷電

電池組裡有一顆叫做保護IC的小晶片。它看守著電壓太高、太低、電流太大之類的異常（Texas Instruments）。這些異常分別叫做過充電、過放電、過電流。

發現異常時，它會切斷電流路徑上的2個開關。開關用的是只要加上電壓，就能讓電流導通或切斷的電晶體（功率MOSFET）。1個負責擋住充電方向的電流，另1個擋住放電方向的電流（保護IC製造商ABLIC）。

電量計IC：推算剩餘電量

畫面上「剩下63 %」這類數字，是電量計IC算出來的。英文叫fuel gauge（油量表）。基本做法是把進出電池的電流，隨著時間加加減減累計起來。只靠這樣，誤差會越積越多，所以會用電池休息時的電壓來修正（Texas Instruments）。

充電IC：遵守充電的步驟

充電IC會把從USB等進來的電，整理成適合電池的電流和電壓。然後用前面說的2階段步驟充電。很多充電IC在溫度高時，會減弱或停止充電。

分配電的晶片，以及電動車的電池管理系統

把電池送出的電，轉換成各晶片需要的電壓再分配出去的，是PMIC（電源管理IC）。整支手機的電源流向，在「手機裡有哪些半導體？」中說明。

電動車載著由很多電芯連接而成的電池。需要看守每顆電芯的電壓和溫度，並讓各電芯的剩餘電量保持一致。這套機制叫做電池管理系統（BMS）（Texas Instruments）。

為什麼電池會老化

用了好幾年的手機，就算充滿電，也沒辦法像以前那樣撐。每次充電和放電，電池裡的電極表面都會發生一點點非預期的反應。結果，能來回移動的鋰變少，電也越來越難流動（Battery University）。這裡把話說得比較簡單，加快老化的主要條件有以下3個。

1. 充電和放電的次數

蘋果把每用掉相當於容量100 %的電算作1次，叫做充電循環。每次用50 %、用2次，就是1次。iPhone 14以前的機型在500次後、iPhone 15系列在1,000次後，設計上仍保有80 %的容量。這是理想條件下的數值，1,000次是2024年公布的。

2. 熱

根據蘋果，iPhone等裝置理想的環境溫度是16〜22 °C。放在超過35 °C的地方，容量可能會受損到無法恢復。日本的NITE在2026年7月也呼籲，夏天不要把電池放在高溫的地方。

3. 充滿電後長時間放著

電壓接近上限的狀態持續越久，電池越容易受損。再加上熱，會損傷得更快（Battery University）。iPhone的「最佳化電池充電」，在預測會長時間接著充電器時，會先停在80 %，快拔掉時才充到100 %。這是縮短充滿狀態時間的做法（蘋果）。

安全：什麼是熱失控

電池起火時，發生的是一種叫熱失控的現象。這是電池裡產生熱的速度超過熱散出去的速度，溫度持續上升的狀態。溫度上升使反應加快，又放出更多熱，形成惡性循環（美國的安全研究機構ULRI）。

根據ULRI的資料，熱失控時溫度可能超過300 °C，噴出氣體和煙，有時還會起火。裡面的電解液是易燃的液體，一旦燒起來就很難停止。在大的電池裡，一顆電芯的熱可能傳到旁邊的電芯，一個接一個擴散。

最常見的起因，是電池內部的短路。用力撞擊、壓扁或刺穿電池，隔離膜就會破掉，正極和負極直接接觸。這時存起來的能量，會一口氣變成熱放出來。從外面加熱，或超過上限充電，也會成為起因（ULRI）。

以日本為例，NITE呼籲不要施加強烈的撞擊或力量，也不要在高溫的地方使用或放置。鼓起來的電池，不可以為了讓它恢復原狀而去壓它。曾有用力壓而起火的事故（日本仙台市消費生活中心）。發現異常時，就停止使用和充電，並向購買的店家或製造商諮詢。

搭飛機時（以日本為例）

以日本為例，行動電源和備用電池不能放進託運行李。從2026年4月24日起，能帶上飛機的行動電源每人最多2個（每個160 Wh以下）（日本國土交通省）。機上也禁止替行動電源充電，以及用行動電源替手機等裝置充電。其他國家和地區的規定可能不同，規定也可能改變，搭機前請確認航空公司的說明。

走向諾貝爾獎之路

1970年代，史坦利·惠廷安打下了使用鋰的充電電池的基礎。1980年，約翰·古迪納夫證明，用鈷酸鋰做正極，能產生約4 V的電壓（諾貝爾獎的公告）。

1985年，旭化成的吉野彰在負極使用碳材料，和正極的鈷酸鋰組合。這種形式不必把容易起反應的金屬鋰用在負極，是現在電池的基本構造（旭化成）。第一次以產品問世是1991年，由索尼開始量產。2019年，3人以「鋰離子電池的開發」獲得諾貝爾化學獎。

常見的誤解

從數字來看

上面例子裡的手機電池約15 Wh。可帶上飛機的上限160 Wh，大約相當於它的10個。

進一步學習

• 相關文章：「功率半導體是什麼？」（讓電導通或切斷的開關、充電器的內部）、「電容器是什麼？」（和電池的差異）、「手機裡有哪些半導體？」（PMIC和充電）
• 用表格看差異：串聯與並聯的差異（連接電池時的電壓和容量） / LDO與切換式穩壓器的差異 / 降壓轉換器與升壓轉換器的差異
• 用數字試試看：DC-DC轉換器計算工具（中級）
• 下一步的名詞：DC-DC轉換器、LDO、靜態電流（影響用電池運作的裝置能待機多久）