【科技.未來】物料廿多年未變 鋰離子電池陷瓶頸

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我們的生活已被鋰離子電池(Lithium-ion battery)左右,當手機電池格變為紅色,已足夠讓不少人焦躁不安,若手機無電更是度日如年。

當手機已從「大哥大」演變到智能電話,鋰離子電池面世廿多年來卻大同小異,離技術瓶頸極限不遠。

第五代流動通訊(5G)、電動車、太陽能電網、飛天車(flying cars)等各種未來潮流紛紛湧至,正好需要一場電池革命來支持,一眾初創公司、大學和業界巨頭爭相研發,掀起一場電池競賽。

鋰離子電池面世廿多年,所用物料和基本原理仍大同小異。(視覺中國)

鋰離子電池在過去廿多年並非毫無寸進的,在同等容量下,可儲存的能量翻了三倍有多,成本卻大減至約三十分之一。電動車生產商特斯拉(Tesla)第七號員工貝迪基夫斯基(Gene Berdichevsky)憶述,2003年特斯拉成立時,電池的能量密度在技術上已穩定增長了約十年,大約每年增長7%。

但到了千禧年代中期,電池技術的進步開始減慢,再到最近的七、八年間,科學家們幾經辛苦才在電池的能量密度上得到0.5%改進。而這些進步主要是來自工程和生產上的改進,可能是所用的物料更純淨,或生產商有能力把電池的組件做得愈來愈薄,以在有限空間下放進更多有效元件,增加電池效能,未有從根本上變革電池。

電池過去27年來都在用相同的化學原理,只不過造得愈來愈精細而已。
電池新創Sila Nanotechnologies及前Tesla員工貝迪基夫斯基(Gene Berdichevsky)

1799年,意大利物理學家伏特(Alessandro Volta)研發出世上第一枚電池,此後的電池基本上都由陽極(anode,正極)、陰極(cathode,負極)電極,以及攜帶離子的電解質(electrolyte)這些關鍵部分組成。鋰離子電池發電時,鋰離子會從陽極移到陰極,同時產生電流讓電器運作,接上電源充電則出現相反情況(見下圖)。

鋰離子電池基本結構及原理(按圖放大)

1977年,英國科學家惠廷翰(Stanley Whittingham)以鋰和鋁作為陽極,製造出世上首枚可充電的鋰離子電池,電池只有銀幣般大小,可提供太陽能手錶所需的電力。然而,當他試圖提升電壓(即讓更多的離子進出),或製作更大型的電池時,電池經常着火。

這個問題直到1980年,才由牛津大學物理學家古迪納夫(John Goodenough)提供解決方法。在他指導下,兩位研究員按着元素周期表,測試不同金屬氧化物配合鋰的表現,以取代惠廷翰所使用的鋁化合物。

最終,他們選定了鋰鈷氧化物(Lithium Cobalt Oxide)的組合,成功為鋰離子電池發展帶來重大突破。以鋰鈷氧化物作為陰極的電池,不單能量密集,又輕身,價錢也不貴,還可供大小形狀的設備使用。

電池物料廿多年未變

1991年,索尼(Sony)便把這種陰極配合石墨(graphite,碳的一種)陽極,放進CCD-TR1攝錄機的電池內,是世上首個使用鋰充電電池的消費電子產品。此後,再沒有其他電池方案足以在成本、性能和便攜性上,挑戰這個電池配置。今天蘋果的iPhone X與當日索尼的攝錄機,在電池物料上並沒有多大分別。

然而,鋰離子電池並非毫無缺點。首先,它不算很穩定,液態的電解質十分易燃,有機會爆炸。美國電池初創公司Ionic Materials創辦人齊默爾曼(Mike Zimmerman)就形容,把手機放在褲袋裏,就好像在褲袋放了一支火水一樣。

其次,鋰離子電池的壽命不長。電極會隨着每次充電發電而膨脹和收縮,久而久之,會逐漸耗損電池中的鋰,令效能下降。現時石墨製的陽極膨脹和收縮的幅度大概在7%,約可承受1,000次完全充電發電。這也是為何我們的手機用上兩、三年,電池效能就會明顯減弱。

過去數十年,鋰離子電池的科研一直都在性能和安全之間走鋼絲。手機由過往的基本通訊、聽音樂,到現時出現導航、社交媒體、手機遊戲等功能,加上工作需要,令我們使用手機的時間愈來愈長。生產商既要追趕這些續航壓力,又要兼顧使用方便而不能做得太大太重,於是把電池元件造得愈來愈薄。一些高端電池的隔膜只有6微米(micron)厚,即大約我們頭髮的十分之一厚度。品質稍有差池,就會導致短路、高溫繼而爆炸,三星(Samsung)的Galaxy Note 7兩年前便發生過類似事件。

手機以外,平板電腦、手提電腦、智能手錶,以至電子煙、電動車和飛天車等,無一不使用鋰離子電池,未來對電池原料的需求只會有增無減。其中,作為電極重要材料的鈷(cobalt)不但稀有,開採和提煉過程複雜,其批發價在過去兩年間升了三倍。

技術局限問題迫在眉睫

與貝迪基夫斯基共同創立電池公司Sila Nanotechnologies的喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)材料科學教授尤辛(Gleb Yushin),上月底與該校同事在《自然》(Nature)期刊共同撰寫評論,說只剩十年時間重新設計鋰離子電池。文章提到,到2025年,全球每年將生產1,000至2,000萬輛電動車,假設每輛車電池使用10公斤鈷,屆時每年就需要10至20萬噸鈷,佔去現時全球產量的一大部分,屆時恐會供不應求。

隨電動車時代即將來臨,對鈷的需求有增無減。圖為中國康迪電動汽車位於浙江省長興縣的生產場(視覺中國)

鈷一直被喻為電池界的「血鑽」。現時全球約有54%的鈷來自非洲剛果民主共和國,《華盛頓郵報》2016年的調查發現,當地約有十萬名礦工只是攜帶簡陋的手工具和照明,就走到幾百呎深的地底挖掘鈷礦,安全上不但毫無保障,長期挖礦更容易患上呼吸系統疾病,亦可能令後代有先天缺陷,更甚的是,挖礦的還包括數千至數萬名童工。事實上,電池業界亦希望能與這些污名劃清界線,例如特斯拉的電池供應商松下(Panasonic),便在5月底宣布開發毋須使用鈷的電池。

鋰離子電池用到的鈷,有電池界「血鑽」之稱。圖為剛果共和國的挖鈷工人。(視覺中國)

Uber計劃2023年正式推出飛天的士服務,其「空港」(Skyport)每個均需要有能力應付每小時4000人客量,飛天車生產量、快速充電、噪音問題能否解決仍然成疑。(視覺中國)

至於Uber、空中巴士(Airbus),以及Google創辦人佩奇(Larry Page)等爭相研發的電動飛天車,若要如期在2023年推出飛天的士,以實現環保和疏導地面交通的願景,亦先要解決電池的問題。Uber工程和能量存儲系統總監米科爾扎克(Celina Mikolajczak)今年3月在一場國際性電池會議中承認:「我們需要的電池仍不存在。」理由很簡單,因為飛行需要考慮電池重量,而鋰離子電池實在太重。特斯拉電動車Model S的100千瓦特小時電池重達540公斤,但一架使用內燃機的雙座位飛機可輕至640公斤,故一眾飛天車現時只能把航程限制在30分鐘或約300公里內。

更麻煩的是,飛行規管要求飛機有足夠的後備燃料。斯洛伐克初創公司Aeromobil的飛天車選擇燃燒汽油,其首席工程師賓特利(Simon Bendrey)解釋:「現時需要足夠應付30分鐘的額外燃料,若飛20分鐘,就要預備50分鐘的燃料,對電池容量的要求將會增加一倍有多。」此外,這些電動飛天車現時設計為充電需時25分鐘至數小時不等,若要推出像Uber計劃般那種的士服務,等它充電的時間隨時長過飛行所需時間。

上述種種問題使現有的鋰離子電池逐漸走到盡頭,難以應付未來的科技潮流。科學界、業界、初創公司等各有進路,針對不同元件,以不同新材料來徹底改造鋰離子電池。 詳見另文:《【科技.未來】鋰離子電池見末路 新電池開發競賽展開》。

上文節錄自第123期《香港01》周報(2018年8月6日)《鋰離子電池陷瓶頸 難撐起5G飛天車 是時候換電了》。

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