揭秘锂电池寿命短的根本原因：“胶体理论”惹人烦

胶体理论

导致胶体粒子团聚的主要作用，是来自粒子间的范德华力，若要增加胶体粒子稳定性，则由两个途径，一是增加胶体粒子间的静电排斥力，二为使粉体间产生空间位阻，以这两种方式阻绝粉体的团聚。

最简单的胶体系统系由一分散相与一相分散媒介所构成，其中分散相尺度范围于10－9～10－6m间。胶体内的物质存在于系统内需具有一定程度以上的分散能力。根据溶剂与分散相的不同而可产生多种不同的胶体型态，如：雾气即为液滴分散于气体中之气胶、牙膏即固态高分子微粒分散在液体中的溶胶。

胶体的应用在生活中比比皆是，而胶体的物理特性需视分散相与分散介质的不同而有所差异。从微观角度观察胶体，胶体粒子并非处于恒定状态，而是在介质内随机运动，这便是我们所称的布朗运动（Brownian motion）。绝对零度以上，胶体粒子均会因热运动而发生布朗运动，这便是微观胶体的动力学特性。胶体粒子因布朗运动而产生碰撞，是为团聚（aggregate）发生的契机，而胶体粒子在热力学上处于不稳定状态，因而粒子间的交互作用力为分散的关键因素之一。

双电层理论

双电层理论可用以解释胶体中带电离子的分布情形，以及粒子电池表面所产生的电位问题。19 世纪Helmholtz 提出平行电容器模型以描述双电层结构，简单的假设粒子带负电，且表面如同电容器中的电极，溶液中带正电的反离子因异电荷相吸而吸附在粒子表面。然而这个理论却忽略了带电离子会因热运动产生扩散行为。

因此，在20世纪初Gouy与Chapman 提出扩散电池双电层模型，在溶液中的反离子会因静电作用吸附于带电粒子表面，同时受热运动影响而在粒子周围扩散。因此，反离子在溶液中的分布浓度将随粒子表面的距离增加而下降。1924 年，史特恩（Stern）将平行电容器与扩散双电层两种模型加以结合，以描述双电层结构。Stern认为反离子会在粒子表面形成紧密的吸附层，亦称Stern layer，随着与粒子表面距离增加，粒子的电位会呈现线性下降，同时Stern layer外亦有扩散层的存在，并且粒子于扩散层中的电位会随距离增加而指数下降。

下图为Stern双电层模型，zeta电位（ξ，Zeta potential）为双电层模型中极重要的参数，实际测量时并无法直接测得粒子的表面电位，但可由声波法或是电泳法计算出粒子的zeta电位。双电层模型中Stern 层与扩散层间的剪切平面上存在zeta电位。

zeta电位与胶体的分散稳定性有密切的关系，当zeta电位愈大时，胶体粒子表面上的静电荷愈多，当粒子于水溶液中的zeta电位达到±25～30mV 以上时，胶体有足够的静电排斥力克服粒子间的范德华力以维持胶体稳定性。