【科技.未來】鋰離子電池見末路 新電池開發競賽展開

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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。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,正需要一場電池革命來支持。

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。(詳見前文:【科技.未來】物料廿多年未變 鋰離子電池陷瓶頸)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。

方向一:鋰矽電池

矽(silicon)是其中一種備受看好的材料,前Tesla員工貝迪基夫斯基 (Gene Berdichevsky) 創立的Sila Nanotechnologies就用矽來着手改善石墨陽極:「在六、七年前開始已看到石墨的局限,現時它在電池的熱動能基本上已發揮至極限。」從結構上來說,每個矽原子可與四個鋰離子結合,作為陽極材料,與相若重量的石墨相比,可儲存十倍數量的鋰離子。但這種優勢亦帶來另一難題,正因為能儲存更多的鋰離子,矽陽極會因而劇烈膨脹最高達400%,充電時會自行毀爛。

Sila Nano本年3月宣佈與車廠BMW合作,其研發中的鋰矽電池未來或會用於BMW的電動車。(視覺中國)

針對這個難題,Sila聲稱已找到解決方法。貝迪基夫斯基說經過三萬次嘗試,他們成功創造出一種微米級大小的球體結構,充電時的膨脹只會在結構內部發生,外部不受影響。Sila的技術獲德國車廠BMW青睞,計劃在2023年於部分電動車上使用這種物料,並預期可增加10至15%電池能量。事實上,特斯拉現時的電池陽極已添加了少量的矽,除Sila之外,Enevate、Enovix等初創公司也以矽來開發電池。

方向二:鋰硫電池

鋰硫電池是另一股開發潮流,即利用硫(sulphur)作為電池陰極。電池專家史尼迪卡(David Snydacker)說:「鋰硫電池雖然每公升能量不算很好,但硫陰極勝在夠輕。」不過,這種電池重複充電時會在陰極中產生「枝晶」(dendrites),有可能穿過隔膜接觸陽極,造成短路。

索尼(Sony)聲稱已解決這個問題,並預計於2020年推出使用鋰硫電池的電子產品至市場。同樣針對陰極改良的還有古迪納夫的學生葛蕾(Clare Grey),她正着手研製鋰空氣(Lithium-air)電池。理論上,這種電池可有更高的能量密度,但現階段即使在實驗室也無法穩定地充電,充電次數也有限,遑論在現實中使用。

方向三:固態電池

對於這些進路, 美國電池初創公司Ionic Materials創辦人齊默爾曼(Mike Zimmerman) 認為固態電池(solid-state battery)才是最終答案:「很多人在研究改良不同的陰極、陽極,但對電池發展最大的阻力是電解質,也正是我們努力改進之處。」所謂固態電池,即把現時電池的電極或液態電解質,以一種聚合物的固態材質取代,如玻璃或陶瓷等,這樣做最大好處是電池體積較小且容量高,比現時液態的鋰離子電子更便宜和不易燃外,理論上也更快和更長壽。「同樣容量下,固態電池可提供雙倍能量。第一波固態電池應可在無人機中看到。」史尼迪卡說。

Ionic Materials的固態電池安全測試片段(https://vimeo.com/215524186):

中國飛天車公司億航(Ehang)的共同創辦人熊逸放則補充:「固態電池展現出很高的能量密度,可延長飛行器具的電池壽命,但其他性能例如發電能力仍有待改進。」固態電池何時能推出市面仍屬未知之數,豐田(Toyota)車廠便承認在量產固態電池時仍有些問題尚待解決,另一日本車廠日產(Nissan)的研發及工程高級副總裁淺見孝雄今年4月時更說:「所有固態電池,大致上都仍處於早期研究階段,現階段『實際上是零』。」

方向四:超級電容

在更遠的將來,電池可能不再止於鋰離子。英國初創公司ZapGo正以碳來研製電池,靈感來自超級電容(Supercapacitor)。有別於鋰離子電池所使用的化學方法,電容儲電以物理方式用電場儲電,就像氣球上的靜電。由於不涉及化學反應,電池不會像鋰離子電池般因長年累月充電和發電而快速耗損,故較為長壽。ZapGo創辦人禾拉(Stephen Voller)聲稱其電池可承受10萬次放電,是鋰離子電池的100倍,每天充電的話相當於可用30年

ZapGo正研發超級電容,視為鋰離子電池未來出路。(ZapGo圖片)

不過,超級電容儲電量不及鋰離子電池,亦很快無電,鋰離子電池充電後能儲電長達兩周,超級電容則只有幾小時。能源儲存科學家海格特(Donald Highgate)就認為兩者可互補,未來手機可以既有一、兩分鐘快速充電,又有鋰離子電池作後備:「若有快速充電功能,你可以在攪拌咖啡時,讓手機在感應線圈上充電。」但要這樣做,需要對充電器作出修改,因為傳統鋰離子電池的充電設計是刻意減慢充電速度以防止起火,而ZapGo或任何超級電容系統則需要與之相反的充電器。

ZapGo現時仍不夠能量推動一部手機,禾拉預計要到2022年或「iPhone 15」推出時才能面世。然而,包括戴森設計工程學院(Dyson School of Design Engineering)谷巴(Sam Cooper)在內的一些專家質疑,電器商對這種長壽電池是否感興趣:「對手機製造商來說,有很強的經濟誘因讓他們的手機在推出下一代時就『死亡』。」

一枚鋰離子電池造就了一個科技時代,這場最新的電池研發競賽鹿死誰手仍言之過早,但勝出者很可能會改寫出另一個科技時代。

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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