電化學的誕生│科學史上的今天：5/2

2022 年 12 月，來自越南的 999 台 VinFast VF 8 City 型智慧電動車乘坐貨輪抵達抵舊金山貝尼西亞港，敲開特斯拉的電動車帝國大門。

除了吹響這次的電動車戰爭號角的 VinFast，眾多車廠像是通用汽車（General Motors）或是來自中國的比亞迪等，都拿起籌碼坐上桌，準備要搶攻這塊市場。而大家手上握的籌碼，就是自家生產的電池。

氫與鋰，都幾？

在電動車產業中，要掌握電動車，就得先掌握好電池。光是電池就佔了整台車 35～40% 的成本，選擇不同種類的電池，更會影響到續行里程、充電效率和安全性。而目前電動車所使用的均為「鋰離子電池」。

大家是否還記得，在十幾年前，與電動車角逐未來「環保車」位置的，還有氫能車。

氫與鋰的競爭勢必發生，它們排在元素週期表最前面，原子序最小的一、三名。鋰的密度甚至僅有每立方公分 0.534 克，比水還要輕，代表在相同的重量下，可以放入更多的原子，攜帶更多的電量，這正是我們最需要的。由於氫氣的分子量小，在燃料電池中的能量轉換效率也不錯，因此「理論上」氫燃料電池的能量密度是鋰離子電池的 150 倍。

只是，就現在技術成熟度來說，明顯是鋰離子電池獲勝，不論是手機、電動車還是大型儲電設備，到處都見得到鋰離子電池的身影。

鋰離子電池

1970 年代，英國化學家惠廷翰（M. Stanley Whittingham）發明了第一個可以充放電的鋰離子電池，其單位重量的儲電效率遠超過當時的鉛蓄電池與鎳鎘電池。在電池中，金屬鋰會在負極丟下電子，以鋰離子的狀態移動到正極，並被特殊設計的二硫化鈦夾層捕捉，電路中的電子則會從負極流往正極，完成電路循環。

不過當時負極所使用的是純金屬鋰，因此，在電池充電、鋰離子會回到負極再結晶成金屬鋰的過程中，會容易形成如同鐘乳石般的晶鬚（Lithium Dendrite），當晶鬚因為反覆充放電變的更長，甚至會戳破電池的保護層，導致短路爆炸。

好在後來美國的古迪納夫（John B. Goodenough）與日本的吉野彰（Akira Yoshino），分別將正極材料換成了鋰鈷氧化物，負極換成可以捕捉鋰離子的碳材料；整顆電池不再有純金屬鋰，只有鋰離子在電解液中移動，確保了安全性，讓鋰離子電池得以商業化。

而這孕育出鋰離子電池的這三位科學家惠廷翰、古迪納夫以及吉野彰，在 2019 年抱回諾貝爾化學獎，實至名歸。

電池的負極在吉野彰將負極換成石墨烯等碳材料後，至今沒有太大的變化，鋰離子電池最主要的改良還是圍繞在正極材料的改變上，我們習慣將不同的鋰離子電池依照它的正極材料來命名，例如：將鋰離子電池的正極改為鋰鈷氧化物，則稱為鈷酸鋰電池。電池發展到現在，陸續登上舞台的還有磷酸鐵鋰電池、磷酸鋰錳鐵電池、鋰鎳鈷鋁電池、鋰鎳錳鈷電池等。

哪個才是最強的電池

「三元電池」是目前市面上可量產的產品中、能量密度最高的電池，也是現在電動車的電池首選。「三元」指的是正極材料中除了鋰以外，加進了鎳、鈷、錳三種元素，具有高容量、低成本的巨大優勢。

除此之外，材料學家發現，如果提高鎳含量，可再進一步提升單位體積的電容量。許多車廠推出的高鎳電池，其鎳含量甚至高達 80 至 90%。這種高鎳三元電池的電容量可以高達每公斤 280～300瓦時（280～300 Wh/kg），相較之下，馬斯克最愛的「磷酸鐵鋰電池」每公斤只有 140~150 瓦時（140~150 Wh/kg），僅三元電池電容量的一半。

那為什麼電動車龍頭特斯拉反而選擇了磷酸鐵鋰電池呢？就是成本考量。

磷酸鐵鋰的成分除了鋰以外，只需要常見的鐵跟磷，完全移除了昂貴的稀有金屬鎳跟鈷，在俄烏戰爭爆發之初，由於俄羅斯是鎳的生產大國，導致鎳的價格在一個月內暴漲了 250%，大大增加了高鎳三元電池的成本負擔。

另外，相對三元電池，磷酸鐵鋰電池不僅成本低，安全性也較高。

除了特斯拉，在 2022 年電動車銷售數量超越特斯拉的中國車廠比亞迪也很愛！比亞迪自行研發的「刀片電池」用的就是磷酸鐵鋰電池，並且透過物理結構的改良，在不過多改變材料的情況下，增加相同體積中的電容量。

次世代電池，Taiwan can help？

科學家預估，鋰離子電池的物理極限大約就在每公斤 300 瓦時，三元電池也差不多摸到這條線了。而這個結果離「完美」絕對還有很大一段距離，因為汽油的能量密度可是每公斤一萬兩千瓦時，鋰離子電池的 40 倍！

先別失望！隨著科技進步，鋰離子電池也將進入次世代。2022 年 3 月，Gogoro 與台灣電池廠商輝能科技共同發表，將在 2024 年導入固態鋰電池，用固態電解質來取代傳統鋰電池中的液態電解液。藉此不僅重量僅有鋰電池的一半，去掉液態成分後更大幅減少漏液、燃燒的風險；更重要的是，固態電池的能量密度上看每公斤 500 瓦時，是三元鋰電池的兩倍，車主們就可以少換幾次電池。

想開電動車的車迷也可以期待，除了 Gogoro 以外，輝能科技也宣布結盟 VinFast，可望在電動車市場上掀起一波固態電池車風潮。

這邊有個更好的消息，超越固態電池，能量密度可以逼近汽油的「空氣鋰電池」已經在研發路上。空氣電池的負極使用鋰金屬，正極則替換為氧氣或二氧化碳，成為鋰氧氣電池（Li–O2 Battery），或是鋰二氧化碳電池（Li–CO2 Battery）；用氣體取代了原先沉重的金屬正極，大大提高了相同重量的電容量。

雖然空氣電池仍在研發，一樣需面對負極沉積時產生的晶鬚、安全等問題；但至少在過去 20 年，鋰電池遇到的困難已經多次被解決，電化學儲能的方式大有可為。

不論是市場上電動車的銷量年年攀升，還是各國政府、車廠的全力投入，電動車主導汽車市場的未來已經清楚可見。未來會不會出現顛覆市場的電池、電動車，甚至是全新型態的交通工具，都令人期待。而在工業製程與材料改革中，「電動車是否真的有比較環保」這個問題，也希望能有個解答。

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對有些人來說，凝固止血是辦不到的事。凝血功能異常的大魔王就是血友病，患者生活不輕鬆，治療用的藥物更是天價。

美國食品藥物管理局在 2022 年 11 月批准的血友病新藥 Hemgenix 。每次治療的藥價高達 350 萬美元，一躍成了世界上最昂貴的藥品。

血友病的藥怎麼會貴成這樣？為何那麼難治癒？在討論這些問題之前，首先我們要面對一個很複雜但意想不到的身體現象——凝血。

血是怎麼凝固的

當血管出血時，會先收縮血管，降低血流量。血小板接著形成臨時的血小板栓堵住血管，然後啟動凝血機轉，形成更加穩固的纖維蛋白，使血管完全堵塞，形成凝塊堵住傷口。整個過程要跟時間賽跑，凝血太慢，臨時的血栓就會被血流沖垮；因此在血友病等疾病影響下，凝血因子數量不足或失去正常功能，就會造成異常的出血症狀。

其中「凝血機轉」（Coagulation cascade）是關鍵的一步，Cascade 指的是眾多凝血因子（coagulation factors）瀑布式的級聯機制，在一連串繁複的生化反應下，在血流中快速建立起穩固的纖維蛋白來堵住傷口。這些凝血因子都是絲氨酸蛋白酶，能加速另一種蛋白質分解，每一個被啟動的凝血因子，會啟動下一個凝血因子，最終形成血塊。

凝血因子的命名是依照歷史上發現的先後順序，訂下編號 1 到 13。當我們需要凝血因子開始工作時，就會將其活化；被活化的凝血因子，會在各自的羅馬數字後面加上 active 的“a”來表示，例如，因子 V 活化之後就變成因子 Va。

凝血機轉的關鍵在於：不斷讓因子活化成因子 a，因子 a 再去活化下一個因子，直到形成血塊。

在整個過程中，有個因子 IIa 特別重要，又稱為凝血酶 Thrombin，它不僅能活化血小板，讓原本圓圓小小的血小板長出觸手，跟其他血小板勾勾纏在一起。此外，它還能活化內源途徑中的因子 VIII、將共同途徑中的 XIII 活化成 XIIIa、以及將纖維蛋白原因子 I 聚合成不溶於水的纖維蛋白 Ia。

被活化的 Ia、XIIIa 就是凝血機轉關鍵的最後一步，它們會和鈣離子形成互相交聯的纖維蛋白網，讓血塊穩定下來。

血友病成因

既然凝血過程那麼複雜，而我們又要追求凝血速度，那麼要是在哪個環節出了差錯，不就止不了血了嗎？沒錯，這就是血友病的成因。

血友病是一種遺傳性的凝血障礙，通常是由於基因缺陷所導致；然而，儘管是遺傳疾病，但仍有 1/3 左右的病例沒有家族史，代表可能是自己身上產生了突變。血友病分成兩種類型：A 型與 B 型，A 型則是由於凝血因子 VIII 缺乏或缺陷造成的，B 型是凝血因子 IX；兩種血友病的臨床表現很相似，需經過檢驗才能區分。

依用患者血液中特定凝血因子與正常人平均值的比較，來分為重度（1% 以下）、中度（1%～5%）、跟輕度（6%～40%）。成年 B 型血友病患者在 40,000 人當中就有 1 人，其中大多數為男性，台灣約有 200 多位患者。

患者的關節內特別容易出血，造成腫脹、疼痛、無法活動，長期會造成軟骨磨損、關節滑膜充血增生、硬骨骨質流失及骨刺，若是發生不可逆的損傷，就算注射凝血因子也無法恢復；因此，若是罹患重度血友病，最好從小開始預防性定期施打凝血因子，維持濃度，讓關節出血的機會盡量降低。

此外，在正常的初級止血過程中，活化的血小板和內皮細胞會釋放一種叫做 Von Willebrand 因子的蛋白質，如果因子 VIII 沒辦法與其結合，就會在血液中被迅速降解；因此，若 Von Willebrand 因子缺乏或出問題，也會有類似血友病的症狀，在台灣稱為「類血友病」或「溫韋伯氏疾病」（von Willebrand disease, VWD）。

血友病為何無法徹底治癒

在治療血友病的歷史中，從石灰、明膠、骨髓到蛇毒都曾被用上，不過最主要還是透過輸入大量血漿。

自 1965 年史丹佛大學 Judith Pool 博士發現解凍血漿留下的沈澱物富含因子 VIII，到 1990 年代基因工程培養細胞產生凝血因子；補充因子的治療方法雖可大幅改善患者生活品質，但還是有一些關鍵問題。除了終身都要持續、頻繁地從靜脈注射凝血因子外，療法非常昂貴，且只有不到一半的患者可達到零關節出血的目標。

另外，由於病患沒有因子 VIII 或 IX，他們的免疫系統就有可能把補充進來的凝血因子當成外來的病原，因而產生抗體；儘管這種現象通常只出現在重度患者身上且比例不高，但要是遇上這種情況就非常棘手，病患出血頻率會較高、也更容易關節損壞。通常醫生會使用繞徑藥物（bypassing agent），繞過需要 VIII 跟 IX 因子的凝血路徑來止血，但效果並不如直接補充凝血因子。

既然抗體是問題，那把抗體消除不就行了？這的確有可能，曾有醫師發現，若刻意頻繁且大量地給予凝血因子，可以讓病患體內因外來凝血因子而產生的抗體消失，但這起碼要執行超過一年，而且注射劑量得是一般劑量的兩倍以上，才能有較高的成功率。

這種療法稱為免疫耐受引導治療（immune tolerance induction, ITI），執行起來非常辛苦、藥物耗費也多，而且要在很小，大概兩三歲的時候就盡快開始執行，要是長大了才做，成功率就會大幅降低，實在很不划算。

350萬美元其實並不貴？

現有的療法昂貴、耗時、效果有限、而且還得忍受一輩子。於是新療法出現了！

美國食品藥物管理局（US Food and Drug Administration）在 2022 年 11 月批准了一種治療血友病的新藥——Hemgenix：為一種基因療法，透過改造過的腺相關病毒 AAV，將基因運送到患者的肝臟細胞後，就能靠自己製造出凝血因子 IX，讓中重度 B 型血友病患者恢復凝血功能，同時兼顧安全性跟有效性。

基於對 54 名患者的臨床實驗資料，在一次性的靜脈注射後，7～8 個月左右，幾乎所有病患體內的因子 IX 水平都穩定了，預估效果起碼能維持八年以上，甚至更長。即使臨床實驗裡，有患者製造的因子 IX 比較低，但都達到足以避免自發性出血的程度。注射後的副作用很輕微，例如常見的頭痛或輕微的感冒症狀，而追蹤 24 個月之後，跟治療有關的不良反應則是零。

生產商 CSL Behring 將藥價定為每次治療 350 萬美元，對患者來說，若有機會接受新療法，當然是好消息，但是這價格實在驚人。不過，以美國的情況來說，CSL Behring 認為每一位接受新療法的患者，可以替美國健保系統省下 500 至 580 萬美元的費用，患者能夠獲得確實有效而且再也不用頻繁地注射因子 IX，省下每年大約 60 萬到 80 萬美元的治療開支。

臺大醫院血液科主治醫師周聖傑表示，台灣成年 B 型血友病患者，每年大約要花台幣 400～500 萬注射因子 IX；不過目前還不知道新的基因療法在台灣價格會是多少。

周聖傑醫師對新療法審慎樂觀，但也提醒，肝臟未發育成熟的兒童、或是肝功能不好的的血友病患者，仍無法使用基因療法；此外也得看患者是否對腺相關病毒已經有抗體，因此療法的適用性仍要視個別狀況考慮。

然而，不論是新的基因療法或是新型長效因子注射療法，對在發展中國家、全球 80% 的血友病患者來說，都是無法負擔的天價。未來若要讓更多患者能受惠，需要各方面共同努力。

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2022 年 3 月臺灣政府正式公布了「台灣 2050 年淨零排放路徑藍圖」，我們在先前的影片也有聊到，2050 淨零排放就是要讓台灣的總碳排放量，再扣掉人為捕捉移除的量之後歸零。

直觀來說，極低碳排放的再生能源電業，在淨零排放上勢必扮演重要角色。這次我們要來聊聊除了太陽光電和離岸風電之外，大家也非常期待的綠色能源——地熱發電，談談地熱發電究竟是什麼？有發展的可能嗎？

什麼是地熱發電？

大家學過地科都知道，地球內部處於極高溫狀態，而這股地熱能，會隨著地函對流和熔岩，被帶至地表附近。

人類很早就懂得利用地熱資源，例如你我曾經泡過的溫泉，就源自於被地熱加熱的地下水。換言之，地熱能是地球自然產生、乾淨的再生能源。若拿來發電，就是所謂的地熱發電。

地熱發電擁有不少優點，包括使用腹地小、碳排放低、低污染、抗天災等，更沒有目前太陽能發電和風力發電最為人詬病的不穩定問題，可以 24 小時全天候提供電力。若能妥善開發和利用，不失為未來全球再生能源供給的重要選項。

臺灣地熱潛力為何？

說得再理想，還是要先回答一個關鍵：臺灣的地熱潛能到底有多少？這邊要介紹一個名詞：地溫梯度（geothermal gradient），它指的是地球內部隨深度增加而使得溫度升高的變化率。

一般來說，在地表附近，每往下一公里，溫度就上升約攝氏 25 到 30 度；但是，在靠近地球構造板塊邊界處，溫度梯度較高；也就是說，往下同樣的深度，會得到比較高的溫度。在這些地區，要進行地熱發電明顯比較有利。

而臺灣正好位於菲律賓海板塊和歐亞大陸板塊的交界，因為兩個板塊的互相擠壓，使得地殼隆起而形成。

因此，臺灣不但多地震，就先天條件來說，似乎也是地熱潛力值得期待的區域。

可惜的是，根據上個世紀的地熱評估文獻，臺灣的地熱發電潛能最多不會超過 1000MW，這個數字是多少？我們作個對照，核四兩部機組的總裝置容量是 2700MW。

若再考慮這些地熱的位置和環境，不見得都適合開發，所以可實際運用的地熱就又更少了。對此，工研院甚至曾推估，其中真正能拿來發電的地熱，只有 150MW。

這麼說來，我們大概不用指望地熱發電，只能洗洗溫泉睡了，或頂多只能有小型的發電規模。

不過，代誌（tāi-tsì）不是那麼簡單。當談到地熱資源多寡的時候，就跟為人處世一樣，我們至少必需要留意兩個要素：溫度和深度。很顯然地，當溫度不夠高，地熱發電就沒效率；另一方面，既然地底越深處溫度越高，我們只要一直挖、一直挖、挖得夠深，總是可以得到足以發電的高溫。

前面說到臺灣地熱發電潛能最多不到 1000MW，事實上考慮的是溫泉地區中，離地表比較近、最容易開發的地熱。若往更深的地方探勘，又是另一番風景。

在習慣上，國際常分別用淺層地熱（shallow geothermal）和深層地熱（deep geothermal）的稱呼來區別深度不同的地熱能。但要值得留意的是，要多淺才叫淺層、多深才叫深層，並沒有全球一致的定義，反而依各國情況而定。

近年來，在國科會的能源國家型科技計畫支持下，臺灣大學的研究團隊分析了大屯火山群、宜蘭地區、廬山地區和花東地區共四個區域的資料，發現海拔高度 1000 公尺以下、地底深度 4000 公尺以內，且地溫高於攝氏 175 度的地熱蘊藏發電容量，可達 33640MW。換句話說，約等於 12 座核四。

既然臺灣蘊藏了這麼高的發電容量，那我們還不趕快開發開個爆嗎？

地熱發電原理與技術

這就會牽涉到現實中，地熱發電技術的發展。

理想狀況下，地熱資源的構造，大致可以用這張圖來表示。最下方是熱源，熱源之上稱為儲集層（reservoir），再上方則是由緻密岩石組成的蓋層（caprock）。

地下水會經由地層裂縫進入儲集層而受到加熱。因為蓋層的阻擋，大部分熱水或水蒸氣會在儲集層進行熱對流，而少部分的水或蒸氣則可能會透過蓋層的裂縫，從地表竄出，成為溫泉或是噴氣孔。

就傳統的地熱發電來說，地底需要三個條件，豐富的熱源、充足的地下水，和良好的滲透率，讓水可以在其中流動，這三者缺一不可。在具備這些條件的地方，汲取地熱能量相對容易。

如果從地底出來的水是蒸汽型態，我們可以直接利用，讓蒸汽通過渦輪機，產生電力，稱為乾蒸汽（Dry Steam）發電，這也是最古老的地熱發電方式。只不過，這麼好的條件可遇不可求。

若存在地底的是攝氏 180 度以上的高溫熱水，當這些熱水從高壓環境抵達地表的低壓貯存槽，因為壓力降低，會迅速轉變成氣體，推動渦輪發電機，這稱為閃發蒸汽（Flash Steam）發電，同時也是目前最普遍的地熱發電方式。

要是地熱資源的條件沒那麼好，比如說，世界上大部分地方，地溫梯度並不高，就算挖得很深，地下水溫就是不熱，怎麼辦呢？就像教授在課堂上講笑話，大學生托著腮毫無反應一樣，那就找批笑點很低、又很有精神的小學生來吧！

近來，許多的新建地熱發電廠採用所謂雙循環（Binary-Cycle）發電方式，當溫度沒那麼高的地下水到達地表後，會在熱交換器（heat exchanger）與另一種流體交換熱能，像是正戊烷（Pentane）或丁烷（Butane）；它們因為沸點很低，所以在接收到地下水的熱能後，會轉變成氣態並推動渦輪，產生電力。雙循環系統的好處是適用更廣大的區域，而且對溫度的要求不高，甚至有攝氏 57 度就成功發電的紀錄，但缺點就是發電效率較低。

目前世界上的地熱發電廠，主要都是用以上三種方式進行發電，深度約在 1.5 公里到 2.5 公里左右。然而，正是地熱發電技術的瓶頸，成為臺灣大規模開發地熱資源的難處之一。但這些難處，其實也有技術可以破解！

臺灣地熱的先天條件、侷限、破解之道

上述的地熱發電方式，至少都需要有充足的地下水或地下流體，和良好的滲透率；就算溫度不夠高，也還可以用雙循環系統來彌補。

但在臺灣，深度較淺、容易探勘與利用的地熱資源，發電潛能最多也不過前面提及的 1000MW，而且還得再扣除不適合開發的地區。如果想大規模進行地熱發電，就勢必要往更深處的地熱資源著手。

然而，我們卻沒辦法保證潛在的地熱資源，都具備充足的地下水跟良好的滲透率。有很大可能是，地底深處儘管溫度夠高，卻沒有水也沒有適當的裂隙。這也是全球地熱發電發展腳步緩慢的原因之一。

為了克服此一問題，這些年來陸續有不同的提案出現。而國際上最常被提及的解方，就是所謂的增強型地熱系統（Enhanced Geothermal System），簡稱 EGS。

EGS 在嚴謹控制的環境下，以高壓朝地下深處注入冷水，迫使岩石原本既有的裂隙擴大，人為創造良好的滲透率。

這些冷水在吸收地底的高溫之後，又會回到地表作為發電之用。一旦發電完畢，這些冷卻下來的水又會被注入地底，如此往復循環。有如開了二檔的魯夫。

這樣聽起來，增強型地熱系統似乎很不錯，降低了地熱發電的環境限制門檻。但是，它也存在一些問題。

首先，往地下注入的水，其流動取決於人為擴大的裂縫，但我們並沒有辦法保證裂縫方向符合需求，所以會有很多水是沒辦法回收的；二來，它也有引發地震活動的可能性。這些都是使用 EGS 進行地熱發電時，要實際考慮的問題。

這集，我們討論了地熱發電的原理，以及臺灣是否適合地熱發電，下一集將討論地熱發電的成本，與開發上需要考量的細節，並回顧台灣地熱發電的發展歷史。

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