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手機老是沒電,鋰電池續航力怎樣才可以加倍呢?

李赫
・2018/12/21 ・2589字 ・閱讀時間約 5 分鐘

現代人離不開電,除了人人家中都有的電器外,和一般人最貼近的電,就是手機電池了吧!在這個手機沒電就可能變失蹤人口的時代,手機的續航力愈顯得重要。續航力簡單來說就是電池的蓄電量;我們都希望手機續航力越來越強,最好充電一次可以用一輩子,但也不能讓電池笨重到不能攜帶。這……有可能嗎?還是強「電池」所難?

只要我們能提升電池的能量密度,我們就能增加手機的續航力。
圖/pixabay

可能!只要我們能提升電池的能量密度。

能量密度分兩種:體積能量密度 (Wh/L) 和重量能量密度 (Wh/kg)。 前者是單位體積所具有的能量,後者是單位重量所具有的能量。不論哪一種能量密度,只要密度提高,都能夠提升電池的能量。

先來認識鋰電池吧!

鋰電池的基本結構。
圖/Springer Link

手機所用的鋰電池的結構與一般電池相同,包含正極、負極以及電解液 (如上圖)。正極是由三維的晶體結構所組成,負極則是由平面的層狀結構所組成,兩者都具備儲存鋰離子的化學環境。電解液負責攜帶鋰離子在兩極間移動來導通內電路,讓鋰離子在正負極間嵌入/釋出來充放電。

鋰電池的材料組成則是:
1.正極:金屬氧化物( LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiFePO4, LiNixCoyMnzO2 )。
2.負極:石墨。
3.電解液:環狀/鏈狀酯類之混和物 (鏈狀碳酸酯類、環狀碳酸酯類)以及鋰鹽類。

自 1990 年 Sony 所開發之鋰電池問世以來,鋰電池製程不斷精進,能量密度從剛開始的 190 Wh/L 上升到今日的 650 Wh/L,幾乎成長了三倍,不過現在卻遇到了電池技術發展瓶頸,遲遲無法繼續提升密度。

然而,即便現在能提升量密度,跟著提高的危險性也不容忽視,尤其鋰電池一直擺脫不了燃燒爆炸的疑慮,像是兩年前的三星手機自燃風波,到現在仍讓人記憶深刻。而且不只手機,鋰電池也曾讓走在科技尖端的  Tesla 電動車起火燒毀,因此電池續航力提升的同時,也要確定電池安全無虞,否則光想著伴隨數倍能量而來的數倍爆炸威力,就讓人退避三舍。想做出新世代電池,必須同時改造電池的正極、負極、電解質材料才行。

提高續航力要先解決:鋰電池爆炸

高能量鋰電池由於內部儲存的能量更多,短路瞬間可釋放出之能量也愈多,更像一顆炸彈,所以爆炸的風險一定有。隨著能量加倍,爆炸風險當然升高。攜帶著高能量電池出門就好像攜帶著一顆炸彈一樣。雖然鋰電池本身具有潛在的危險性,但只要我們了解爆炸 (專有名詞為熱失控 Thermal runaway) 的原因就能夠管控風險,將熱失控的可能性降到最低甚至不會發生。

熱失控 (thermal runaway) 所指的情況是,當溫度增高時引發的變化使溫度更進一步的增高,產生惡性循環,因而導致某一種破壞性的結果。
圖/wikipedia

電池內部有複雜的化學反應,熱失控就是電芯短路而造成的連鎖反應。鋰電池在過充、過放的時候,可能因為隔絕正極與負極之隔膜被擊穿,開始內部微短路,接著造成局部加熱、溫度升高,然後受熱的電解液分解產生有機可燃性氣體;受熱的正極釋放出氧氣(正極是金屬氧化物,晶體結構改變導致部分氧原子以氧氣的狀態釋放出),結果電池內便具備了燃燒的三要素:熱源、燃料、氧氣。只要溫度持續急遽上升,就會到達失控邊緣而快速燃燒,進而爆炸。而且爆炸的瞬間溫度可達到攝氏 700℃ 左右。

熱失控的主要成因,為電池內部電解液的化學組成本來就含有機可燃性。

若要改善安全性,則必須替現行的電解液找到取代方案。

從前述的熱失控發生過程我們可以知道,熱失控的關鍵原因就是電解液分解後的有機可燃性,所以想一面提高蓄電量一面降低燃燒風險,就必須減少,甚至去除內部的可燃物質──電解液的碳酸酯類(鏈狀/環狀碳酸酯類)。

一石二鳥的未來計畫

電解液要幫助離子在正負極間快速移動,因此會使用一般認知中傳導速率最快的液體電解質製作,我們要找到能夠替換、不會燃燒的材料來取代電解液,不會燃燒的固體的無機物如果又能夠傳導離子將是最好的選擇。

相關研究顯示,確實存在具有高離子傳導速率的固體電解質,而這類電解質的傳導速率甚至不會輸給液體,這類的晶體稱為高速離子導體 (Fast ion conductor),其內部存在著特定管道讓離子能夠在內部快速移動而達成離子導通。

鋰離子在具有可以高速移動管道的晶體內傳遞,讓離子傳導速率超過電解液(此以LLZO 離子傳導晶體圖示作說明)
圖/Phys.org

如果能替換電解液的材料,同時將電池的正極以及負極的材料替換成具有更高電量的材料,整個電池在設計上厚度就能夠降低。相對而言在更小的體積內儲存了更多的能量。由計算結果,顯示這樣的設計之下電池的電容量可以由目前的 650 Wh/L 上升到 > 1200 Wh/L,電容量幾乎是目前的兩倍,電池的續航力比目前更多了一倍。

已經看得到電池續航力的未來

綜上所述,如果將電池的正極以及負極的材料替換成具有更高電量的材料,電池電容量便可以由目前的 650 Wh/L 上升到 > 1200 Wh/L。能量密度提升,電池也就能更加輕薄,而且續航力與現有同體積電池相比,可多上一倍之多。再加上將電解液替換為固態電解質,這種電池就能效能高安全性也高。

固態鋰電池以高速離子傳導晶體作為固體電解質,取代傳統電解液,可以提升電池續航力及安全性。 圖/US Department of Energy

這樣一石二鳥的超棒電池構想吸引了全球研究單位以及廠商爭相投入研究開發,甚至已經有實驗型電池進入測試階段。但製造程序尚有很多問題要克服:電池內部固體電極與固體電解質因為都是固體,在微觀上並未有效接觸,會使離子沒辦法順利傳遞,或是可以傳遞的暢通路徑變少,產生離子傳遞路徑不暢通,而造成電池整體電阻上升的問題。另外大量生產的製造方式與現行的電池的製造方式不同,成本以及良率,也必須詳加度量。不過我們不用灰心,路已找到,只要堅持往前走,科學必定會持續進步。

參考資料:

  • 文字編輯/翁郁涵

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李赫
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中央大學理學博士。為熱愛傳播知識與吸收知識的 作家/教育/研究學者。 對於居家設計與生活時尚亦有高度興趣 (FB作者專頁)。

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「駝背、變矮、下背痛」是骨質疏鬆警訊!及早治療以免骨折造成失能

careonline_96
・2021/09/21 ・2705字 ・閱讀時間約 5 分鐘
駝背、變矮、下背痛,當心骨質疏鬆警訊,以免骨折害性命!骨科醫師圖文解析

李女士是活動力很好的人,到了六十多歲依舊忙進忙出。這天她如往常般彎腰搬起一個箱子時,突然感到背部劇痛,整個人跌坐在地,完全站不起身,最後只能在救護人員的協助下抵達急診室。

「聽完病人的描述,我們大概就可以猜到是因為骨質疏鬆,彎腰搬重物所造成的脊椎骨骨折。」義大醫院骨科部脊椎科楊士階醫師表示,「骨質疏鬆患者因為彎腰搬重物所導致的脊椎骨折比較常發生在胸腰椎交界的地方,若是在滑倒時用手去撐地,可能骨折的部位是手腕關節,或是髖關節的股骨頸。」

骨質疏鬆症是全身性骨骼疾病,會在無聲無息中逐漸惡化,倘若沒有接受檢查,患者大多沒有自覺,楊士階醫師說,很多患者都是在骨折突然發生時才發現嚴重骨質疏鬆。

骨質疏鬆本身雖然不會致命,但是在骨折之後,患者可能被迫臥床且疼痛難耐,生活品質大受影響,各種併發症也會接踵而至。根據統計,髖部骨折患者一年內的平均死亡率高達 22% [1],對中老年人而言,是不容忽視的健康威脅。

此外,在骨折之後,患者可能會失能,甚至得完全仰賴他人照顧,為個人及家庭帶來沉重的負擔。

台灣人口逐漸高齡化,楊士階醫師強調,及早發現、積極治療,才能預防骨質疏鬆症造成的危害。

三項自我檢查,及早發現骨質疏鬆

骨質疏鬆症常發生在停經後的婦女,大概五十多歲,楊士階醫師指出,不過較高齡的老人大概六十五歲以後不管男性、女性都有可能出現骨質疏鬆。2005〜2008 年國民營養調查報告指出台灣 50 歲以上男性與女性,以雙能量 X 光吸光式測定儀檢測骨鬆症,分別為 23.9% 及 38.3% [2]。

我們可以替自己或家人先做個簡單的評估,如果有駝背現象、身高變矮 4 公分以上、常常感到下背疼痛,就要懷疑有骨質疏鬆的問題。

骨質疏鬆警訊要注意

年紀較大或出現骨質疏鬆警訊的民眾,務必盡快就醫,楊士階醫師說,檢查骨質密度可以利用定量超音波骨密度檢查儀或雙能量 X 光吸光式測定儀(dual-energy X ray Absorptiometry,DXA),超音波檢查的速度較快、便利性高、沒有侵入性,X 光檢查的準確度較高,能夠針對脊椎與髖關節進行掃描,檢查時間大約 15〜20 分鐘。

骨密度檢查的報告會標示 T 值(T-Score):

  • 當 T 值大於或等於 -1.0 時屬於「正常」
  • 當 T 值介於 -1.0 至 -2.5 之間稱為「骨質缺乏(osteopenia)」
  • 當 T 值等於或小於 -2.5 時,稱為「骨質疏鬆症(osteoporosis)」。
  • 如果患者已有骨折發生時,稱為「嚴重性骨質疏鬆症」。

運用骨密度檢查我們可以利用較客觀的數據了解骨質的狀況,楊士階醫師說明,如果骨密度檢查屬於骨質缺乏、甚至骨質疏鬆,建議要接受進一步的治療。

國際骨質疏鬆症基金會也有製作骨折風險評估工具(Fracture Risk Assessment Tool,FRAX),填入年齡、性別、體重、身高、骨折病史、父母髖骨骨折病史、抽菸、類固醇使用、股骨頸骨質密度等資料,便能估算未來十年發生骨折的風險。

積極治療骨質疏鬆,預防骨折

我們骨頭中具有造骨細胞與破骨細胞,造骨細胞(Osteoblast)會產生新的骨質,破骨細胞(Osteoclast)則會吸收骨質,讓骨頭一直處在動態平衡的狀態。

楊士階醫師解釋,想要治療骨質疏鬆,可以從這兩個方面著手,抑制破骨細胞或刺激造骨細胞。

抑制破骨細胞的藥物包括雙磷酸鹽、雌激素、選擇性雌激素調節劑、RANKL 單株抗體、抑鈣素等,可以減少骨質被吸收。

刺激造骨細胞的藥物源自人類的副甲狀腺素,可以促進造骨細胞生成骨質,需要每天皮下注射。

積極治療骨質疏鬆

目前還有一類藥物屬於雙重機轉藥物,能夠降低破骨細胞的骨質吸收作用,且能增加造骨細胞的骨質生成作用,有助降低骨質疏鬆患者發生骨折的機率。接受骨質疏鬆治療時,請記得每天要補充鈣質與維生素 D。

預防骨質疏鬆,可以這樣做

隨著年紀增加,骨質會持續流失,我們要從年經時便增高最大顛峰骨量,預防骨質疏鬆,楊士階醫師說,日常生活中請盡量減少骨質疏鬆的危險因子,包括戒菸、戒酒,也要減少咖啡因的攝取。

每天攝取足量的鈣質與維生素 D,有助維持骨骼健康。國際骨質疏鬆症基金會建議,50 歲以上成人每日鈣質攝取量須達1200 毫克,維生素 D 攝取量須達 800 至 1000 IU 國際單位(international units,IU)[2]。

鈣質必須由食物中獲得,富含鈣質的食物包括乳製品、豆類、深綠色蔬菜、海帶、香菇、堅果、芝麻等。

接受日照後,身體可以合成維生素 D,每天要適度接受日照,食物方面可選擇牛奶、起司、蛋黃、海水魚、淡水魚、蕈菇、黑木耳等。

倘若無法由食物中攝取足量鈣質與維生素 D,便可適度補充。

預防骨質疏鬆,可以這樣做

負重運動有助增加骨質密度,肌力足夠也能改善平衡、減少跌倒及骨折風險。從年輕便養成規律運動的習慣,好處多多!

貼心小提醒

骨質疏鬆是每個人都可能遭遇的問題,由於骨質流失時通常沒有明顯感覺,很多患者都是在骨折發生後,才驚覺患有骨質疏鬆症,楊士階醫師叮嚀,如果具有危險因子,如年紀較大、抽菸、飲酒過量等,或是觀察到有駝背現象、身高變矮 4 公分以上、常常感到下背疼痛,建議就醫接受骨質密度檢查。
如果有骨質缺乏、甚至骨質疏鬆的狀況,務必定期追蹤並積極接受治療,以降低骨折及其他併發症發生的機會!

本衛教文章由台灣安進協助刊登

參考資料

  1. Downey C, Kelly M, Quinlan JF. Changing trends in the mortality rate at 1-year post hip fracture – a systematic review. World J Orthop. 2019;10(3):166-175. Published 2019 Mar 18. doi:10.5312/wjo.v10.i3.166
  2. 2020台灣成人骨質疏鬆症防治之共識及指引

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