0

0
1

文字

分享

0
0
1

廢棄輪胎變汽車電池!要怎麼做?

昱夫
・2014/09/03 ・861字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

From Flickr. CC: Yamanaka Tamaki
From Flickr. CC: Yamanaka Tamaki

在這個什麼都講求環保回收再利用的時代,廢輪胎當然也是我們盡力想要壓榨剩餘價值的一大目標(廢輪胎如果就呆呆的放著,既占空間又可能養蚊子,還是多想點重新利用的方法好),現在比較常見的像是:拿廢輪胎種花、切成鞋底(很耐磨)或是做成地墊。而科學家總能想出令我們耳目一新的創意,最近,他們發展了一套流程來把輪胎做成電池電極!

美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)的這項研究由物質化學家Parans Paranthaman主導,主要針對鋰電池的開發,希望將輪胎回收再製成其中的電極,取代現有的石墨電極(graphite)。其結果發表於上月的RSC Advances期刊[1]。

在操作上,首先是將廢輪胎的橡膠磨成微米等級的碎片,接著浸泡到熱硫酸中,過濾、沖洗,便可得到一塊蛋糕狀物質,將該固體進一步於氮氣中加熱,便可得到多孔性的碳材質(孔洞直徑小於2奈米)。這項多孔性的碳材質可以被拿來用作鋰電池的陽極(發生氧化反應),而實際測試發現,其效果比起以往使用的石墨來得更好!(比較電容率)。

目前多孔性碳材質的電容率大約在100次重複充放電循環後仍可維持一定數值,不過未來若要真正進入市場,勢必得克服技術困難使其效能至少撐過上千次的充放電循環(目前電池的品質大致如此);除此之外,多孔性碳材質也面臨其他市場上的對手,像是奈米結構的矽或是石墨烯(graphene)等等,在作為鋰電池陽極的功能上,都具備強大的競爭力。

雖說比起其他新興材料,用廢輪胎製成的電極並沒有太多優勢,但仍需記得,比起現有的石墨電極,它已展現了較高的效能,同時也提供廢棄物回收再利用的新途徑,從這樣的角度切入,或許並不失為目前一個電池革新的好方案呢!

延伸閱讀:

資料來源:

  • Tailored recovery of carbons from waste tires for enhanced performance as anodes in lithium-ion batteries. Amit K. Naskar et. al. RSC Adv., 2014,4, 38213-38221. DOI: 10.1039/C4RA03888F

參考資料:

  1. How to Turn Tires Into Batteries for Electric Cars [IEEE, August 28, 2014]
文章難易度
昱夫
57 篇文章 ・ 1 位粉絲
PanSci實習編輯~目前就讀台大化學所,研究電子與質子傳遞機制。微~蚊氫,在宅宅的實驗室生活中偶爾打點桌球,有時會在走廊上唱歌,最愛929。

0

11
2

文字

分享

0
11
2
儲能發展的關鍵未來:鋰離子電池的展望與課題──專訪台科大永續續能源發展中心黃炳照主任
科技大觀園_96
・2021/04/14 ・4333字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 564 ・九年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

鋰離子電池除了在當今的數位產品中佔有重要的角色,隨著全球氣候變遷、節能減碳的強烈需求,未來的再生能源技術,也需要鋰離子電池發展出足以配合的儲能系統,才能真正帶領我們走向「零碳排」的未來。本次科技大觀園專訪國家講座教授,國立臺灣科技大學永續續能源發展中心黃炳照主任,帶領我們一窺鋰電池技術的發展與未來。

如今,隨處可見各式輕便的電子用品,只要好好充個電,就能用上一段時間,這種習以為常的便利生活,就必須仰賴良好的電池,而 2019 年的諾貝爾化學獎,正是頒給現在最常聽到的「鋰離子電池」。

鋰離子電池除了在當今的數位產品中佔有重要的角色,隨著全球氣候變遷、節能減碳的強烈需求,未來的再生能源技術,也需要鋰離子電池發展出足以配合的儲能系統,才能真正帶領我們走向「零碳排」的未來。本次科技大觀園專訪國家講座教授,國立臺灣科技大學永續續能源發展中心黃炳照主任,帶領我們一窺鋰電池技術的發展與未來。

黃炳照主任。(圖/曹盛威攝影)

剛剛於今 (2021) 年獲得德國宏博研究獎的黃炳照,研究專長為各種能源材料研發,包括鋰離子電池、燃料電池及太陽能電池。他說明,鋰離子電池在設計的精進,已經接近學理上的極限:「鋰離子電池材料的單位體積電容量,從 1991 年生產到今天,其實進步並沒有太多。」如果要繼續發展,重心之一著眼於新電池材料的研發。

用於 iPhone 的鋰離子聚合物電池。(圖/Wikipedia

鋰離子電池的過去

摩爾定律 (Moore’s law) 預測電晶體效能,約在每十八個月會翻倍提升,相較來說,鋰離子電池進步的速度就緩慢許多。鋰離子電池上市至今的三十年間,我們所見越來越小、容量越來越大的電池,多數的進步主要來自於組裝技術,以及附帶組件的壓縮改良。常被簡稱為「鋰電池」的鋰離子電池,電池材料中並非直接有鋰金屬進行氧化還原作用,而是運用鋰離子在正負極間的移動與嵌入,來儲存電能。

正極半反應:

{\displaystyle \mathrm {Li} _{1-x}\mathrm {CoO_{2}} +x\mathrm {Li^{+}} +x\mathrm {e^{-}} \leftrightarrows \mathrm {LiCoO_{2}} }

負極半反應:

{\displaystyle x\mathrm {LiC_{6}} \leftrightarrows \ x\mathrm {Li^{+}} +x\mathrm {e^{-}} +x\mathrm {C_{6}} }

鋰電池結構可以大致分解為正極、負極、電解液、隔離膜四大部分。所有的電池皆是利用正極與負極間的化學能電位差儲存電能。史丹利·惠廷安 (M. Stanley Whittingham) 在 1970 年代提出充電式鋰離子電池的概念;金屬鋰的反應性高,有機會能較其他使用於負極的金屬儲存更多的能量,可來取代笨重的鉛酸充電電池。惠廷安在早期的實驗中,採用二硫化鈦 (titanium(IV) sulfide; TiS2) 為正極,鋰金屬為負極,能夠產生二伏特的電流,證實了鋰離子電池的構想可行。然而此正極二硫化鈦易與水氣形成劇毒的硫化氫 (H2S),且鋰金屬接觸空氣時的穩定度相當低,由於安全顧慮無法商業應用。而至古迪納夫 (John B. Goodenough) 於 1980 年改採鈷酸鋰 (lithium cobalt oxide; LiCoO2; LCO) 為正極,使鋰離子電池展現了高電位、高電容量密度、低自放電率與循環穩定性高的特性,至今這類材料仍常見於商業產品中。而適用於負極的材料,則在日本時任旭化成株式會社研究人員的吉野彰 (Akira Yoshino),改以石油焦炭製成石墨電極,終成就鋰離子電池能夠上市的重要突破。這三位在鋰離子電池上的貢獻,讓他們於 2019 年獲得諾貝爾化學獎。

吉野彰與 John B. Goodenough、M. Stanley Whittingham 於 2019 年獲得諾貝爾化學獎。(圖/The Nobel Prize

1991 年,首款鋰離子電池正式上市,引發了電子用品革命的起點:可攜帶的筆記型電腦指日可待,即將席捲全世界的 MP3 播放器、智慧型手機與平板電腦也躍躍欲試。由此之後,鋰離子電池的進步不脫材料以及組裝的改良研究,在顧及安全性的前提下,將各種組件輕薄化,盡可能塞入更多的電極材料,提高能量密度。

鋰電池更具電力的未來

現在的電池技術在能量密度上,大約在 200-250 (Wh/Kg),現階段如特斯拉等廠商希望透過組裝、大數量串連等方法提升至約 300 (Wh/Kg) 左右。黃炳照表示:「因為工程、物理上的限制,再要有突破就需要材料上的革命。」

如果要進一步提高單位體積的能量密度,還可以怎麼做呢?

概念上可以回歸 1970 年代的設想,使用鋰金屬做為電池的負極,運用鋰金屬有超低還原電位的特性,大幅提升能量密度。但該如何克服鋰金屬低穩定度低的缺點,在科技發展追求更高能量密度的同時兼顧安全性?黃炳照為我們介紹了「無負極電池」的概念:生產階段不需要鋰金屬,於電池正極材料中帶有的鋰離子,在完成組裝後充電,才離開正極,嵌入負極還原為鋰金屬。如此設計的電池不需組裝負極,因此理論上製程簡化成本較低,也避免了組裝使用鋰金屬所需的繁複安全措施。

儘管令人期待,但無論是「無負極電池」或是「鋰電池」,仍需要回過頭以現今的材料技術,攻克過去使用鋰金屬於負極容易發生的安全議題。黃炳照挑戰的課題之一,便是鋰金屬負極循環充放電時,沉積不均勻會導致鋰枝晶形成 (Dendrite Formation)。當鋰金屬表面有缺陷,其界面就容易由於電場不均勻而發生鋰枝晶,此類狀況輕則提高電池內部阻抗,減少循環壽命;嚴重則枝晶會穿刺隔離膜,導致電池發生內短路 (Internal Short Circuit) 而失效甚至起火的安全疑慮。

黃炳照率領團隊從電解液與「固態電解質介面」 (Solid Electrolyte Interface,SEI) 的角度著手。固態電解質介面為電池首次充放電的時候,電極與液態電解質之間會自然形成的特殊隔層,可容鋰離子通過並且保護電極材料。「在這個(負極)石墨表面形成一個『薄紗』,就像一個濾網。沒有這個薄紗就沒有我們今天的鋰離子電池。」

鋰枝晶。(圖/Wikipedia

因此發展最恰當的電解質配方,以形成穩定電解質介面,並抑制鋰枝晶的成長、及降低電解液的分解,最終提昇效率以及電池的循環壽命,即是黃炳照團隊努力的主要目標。

鋰電池的未來發展,還包括許多人期待的「固態電池」研發。將電解液由原本的液態改良為固態,也是許多人矚目的焦點。由於鋰對水的活性極大,因此鋰電池的電解液成分以有機溶劑為主,卻有著易燃的缺點。黃炳照表示,現階段材料科學已發表許多固體的電解質材料,鋰離子在其中的傳導的效率可比在液體中還要快。

「就像提供給鋰離子的高速公路。」黃炳照解說,固態電池將可望取代始終具有一定安全性疑慮的鋰電池,但完成組裝正式商業化,至今仍有許多挑戰需要克服。

黃炳照研究的主題除了鋰離子電池,主要為創新奈米結構能源材料研發。其中「同步輻射臨場光譜技術」就扮演了重要的角色。以此技術研究電池,就像幫材料照 X 光拍影片,可以即時觀察充電時材料的變化,以了解並優化電池運作的諸多細節。

「同步輻射就像是一個航空母艦,上面的不同光束 (Beamline) 就像戰鬥機群。」黃炳照比喻,相較於同步輻射提供的設施,各校系的貴儀(貴重儀器設施),就像是無人機,所能提供的「火力支援」有所不及。此技術對於各種電池材料,包括鋰離子電池、燃料電池及太陽能電池等未來的發展都極具影響力。

綠色能源的未來:更安全、更便宜、環境友善

臺灣正在走向能源轉型的階段,再生能源佔比將越來越吃重。考慮到綠能天生不穩定的弱點,需要儲能設施做為輔助。未來的儲能設備將著重在哪類的技術呢?黃炳照認為,能源的使用一直都是多元化的,無論是鋰電池、氫能、燃料電池等儲能技術,都各有其特性。重點仍在於發展出適用、更便宜、性能穩定,且對環境友善的技術,支持各種應用場景的需求特性。

舉例來說,交通工具的電動化將是未來的趨勢,但現行以鋰離子電池為主的儲能設備,其馬力跟續航力有一定的關聯性;相對來說燃料電池則有機會如油車採「油箱與引擎」的分開規劃。又或者受限於電池載重,難以發展電池動力飛機,但氫能如能有效應用其能量密度有潛力供綠色航空起飛。

電動車的充電停車場。(圖/Wikipedia,Epattloamer的作品,CC BY-SA 3.0)

黃炳照表示,環境友善、永續將會越來越重要。未來隨著各國對於環境保護的需求越來越強烈,使用可再生的綠能將不再只是企業自願性可選擇的作為,終將成為是否具備競爭力的重要環節。臺灣身為全球供應鏈的一份子,要保持商業競爭力,積極發展綠能與相關的基礎建設,很快將迫在眉睫。

要做到環境友善,未來電池的回收、循環經濟勢必成為重要的議題。黃炳照認為,首要的關鍵之一,當然在於研發階段就考量到回收需求而做出對應的設計;其次在後端的回收機制上仍有許多研發的空間,待有志之士投入。但環境友善的精神不應只著眼於最終的回收,還需考慮盡可能最大化產品的使用效益。如應用於電動車的電池需要高端品質,淘汰後可應用於儲能系統,而後或可裝置於緊急照明系統等邊緣設施,如此層層重複利用,對於資源的使用才可達到最佳化。

環境永續將會越來越重要。(圖/Wikipedia,Tomasz Sienicki 的作品,CC BY-SA 3.0)

而這樣最大化、共通共用的概念也可以用於儲能基礎設施的規劃,如將公共電網的儲能需求與電動車充電站共用,在支持電網的同時,電動車用戶也有機會透過售電賺取外快。這類綠能基礎設施的設計形式,將考驗未來城市規劃者的創意與巧思。

鋰離子電池的發展,不僅促成不燃燒化石燃料的電動車成真,也讓我們見識到科技正幫助人類邁向節能減碳,甚至是零碳排的未來。未來,在科學家不懈的努力下,「環境友善、永續發展」終有機會不再是個口號,百尺竿頭再進一步,就讓我們一起拭目以待吧!

資料來源

科技大觀園_96
82 篇文章 ・ 1109 位粉絲
為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

0

0
1

文字

分享

0
0
1
廢棄輪胎變汽車電池!要怎麼做?
昱夫
・2014/09/03 ・861字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

From Flickr. CC: Yamanaka Tamaki
From Flickr. CC: Yamanaka Tamaki

在這個什麼都講求環保回收再利用的時代,廢輪胎當然也是我們盡力想要壓榨剩餘價值的一大目標(廢輪胎如果就呆呆的放著,既占空間又可能養蚊子,還是多想點重新利用的方法好),現在比較常見的像是:拿廢輪胎種花、切成鞋底(很耐磨)或是做成地墊。而科學家總能想出令我們耳目一新的創意,最近,他們發展了一套流程來把輪胎做成電池電極!

美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)的這項研究由物質化學家Parans Paranthaman主導,主要針對鋰電池的開發,希望將輪胎回收再製成其中的電極,取代現有的石墨電極(graphite)。其結果發表於上月的RSC Advances期刊[1]。

在操作上,首先是將廢輪胎的橡膠磨成微米等級的碎片,接著浸泡到熱硫酸中,過濾、沖洗,便可得到一塊蛋糕狀物質,將該固體進一步於氮氣中加熱,便可得到多孔性的碳材質(孔洞直徑小於2奈米)。這項多孔性的碳材質可以被拿來用作鋰電池的陽極(發生氧化反應),而實際測試發現,其效果比起以往使用的石墨來得更好!(比較電容率)。

目前多孔性碳材質的電容率大約在100次重複充放電循環後仍可維持一定數值,不過未來若要真正進入市場,勢必得克服技術困難使其效能至少撐過上千次的充放電循環(目前電池的品質大致如此);除此之外,多孔性碳材質也面臨其他市場上的對手,像是奈米結構的矽或是石墨烯(graphene)等等,在作為鋰電池陽極的功能上,都具備強大的競爭力。

雖說比起其他新興材料,用廢輪胎製成的電極並沒有太多優勢,但仍需記得,比起現有的石墨電極,它已展現了較高的效能,同時也提供廢棄物回收再利用的新途徑,從這樣的角度切入,或許並不失為目前一個電池革新的好方案呢!

延伸閱讀:

資料來源:

  • Tailored recovery of carbons from waste tires for enhanced performance as anodes in lithium-ion batteries. Amit K. Naskar et. al. RSC Adv., 2014,4, 38213-38221. DOI: 10.1039/C4RA03888F

參考資料:

  1. How to Turn Tires Into Batteries for Electric Cars [IEEE, August 28, 2014]
文章難易度
昱夫
57 篇文章 ・ 1 位粉絲
PanSci實習編輯~目前就讀台大化學所,研究電子與質子傳遞機制。微~蚊氫,在宅宅的實驗室生活中偶爾打點桌球,有時會在走廊上唱歌,最愛929。

6

48
3

文字

分享

6
48
3
HOW TO 做出安全的鋰電池?先讓它爆爆看!
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2020/12/02 ・2832字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 493 ・六年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

 

本文由 UL 委託,泛科學企劃執行

  • 文/陳亭瑋

2019 年的諾貝爾化學獎頒給了發明鋰電池的三位科學家,因為他們的貢獻,讓我們的世界現在隨處可見輕便的手機、筆電以及電動車。在享受鋰電池帶來便利生活的同時,我們也不能忽略其潛在風險。像是 2016 年三星 Galaxy Note 7 手機的爆炸事件,正是電池設計與品質控管不良等綜合因素所造成;電動車在充電或正常操作時起火燃燒等鋰電池意外也時有所聞。

究竟是哪些因素,讓鋰電池出錯、發生自燃或爆炸的意外呢?這要先從鋰電池的構造說起。

鋰電池內部主要是由正極、電解液、負極、隔離膜四大部分組成,加上外殼封裝之後,  就成為可以獨立運作的基礎單元,一般稱為「電芯」。為了有效管理電池效能,並限制電池因錯誤操作所造成的危險,一個或多個電芯還必須進一步連接管理系統電路板,有時甚至配備主動或被動式散熱系統,加上電池外殼進行最後封裝,才成為一般使用者所看到的鋰電池。

鋰電池的充放電都是化學反應。充電時,鋰離子會由正極往負極移動,放電時則反過來。而像這類的化學反應都會放出熱,再加上「電芯」裡大多是易燃材料,如果電池設計不當、品質不良或使用者誤用,就容易燃燒或爆炸。

接著簡單介紹幾個會造成鋰電池「爆炸」的原理。

爆炸自燃的起點:內部短路與外部短路

所謂的短路(Short circuit)主要指電路中有電位差的兩個節點以極低電阻的元件(像是一般的導線)相連;或者換句話說,應該要做好絕緣的兩個點互相接觸了。短路會造成電路中瞬間出現非常大的電流,大電流所釋放出的能量,除了可能燒壞線路、引爆火花,也會讓電池在極短的時間內過度放電,釋放出大量熱能提高電池溫度。

鋰電池短路可大致分為「外部短路」與「內部短路」兩種。所謂的「外部短路」,就是鋰電池的外部正負極之間,有絕緣不良或設計問題,讓正負極以低阻抗的情況下連接發生短路。而錯誤的使用方式、或是損壞的電器連接電池等風險較高的情境,也有可能造成電池短路。

「內部短路」則通常是由於電池設計不良、品質缺陷、過充過放、不當加熱、外部壓力影響結構等因素,造成電芯內的隔離膜受損,兩極直接接觸而出現短路。如開頭提到的三星 Note 7 的電池,就是出現了內部短路。

鋰電池短路會怎樣呢?短路會讓電池在很短的時間內放出很大的電流,因而大量放熱產生高溫,這樣的高溫會破壞電池內部,繼而出現更劇烈的化學反應。

那遇到高溫、熱到不行的鋰電池會發生什麼事呢?

高溫:鋰電池的熱失控連鎖反應

一般來說,鋰電池在使用上有合適的溫度範圍,建議溫度為攝氏 0 度到 45 度,且不可以靠近火源。這也是為什麼,在旅行時也應該要將鋰電池放在隨身行李,讓鋰電池跟著你走,避免將鋰電池放在潛在有可能高溫的飛機貨艙或是車輛的行李艙中。

就像前面所提及的,鋰電池的充放電都屬於化學反應,本身就會放熱,而溫度越高化學反應速度會越快。因此高溫下,電池內部會產生一連串的連鎖反應,持續產生熱,如果無法散熱就會形成熱失控 (Thermal Runaway),累積的熱最終會可能會導致電池起火。

但是鋰電池為什麼這麼容易燒起來呢?爆炸又是怎麼來的?

成分易燃:有機成分在高溫下不穩定

鋰電池的主要組成如電解液、隔離膜為有機成分,本身就屬於易燃物質。再者,高溫下的鋰電池除了會發生「熱失控」持續加速反應與提高溫度,材料本身也會反應分解出易燃的氣體。如果電池沒有排氣、降溫的設計,遭遇到高溫或短路時,就可能起火燃燒、甚至爆炸。所以為了安全起見,使用有鋰電池的電器時,要記得遵守原始的使用設計、不要隨便更動電器的設計或使用方式;環境中有造成高溫火爐或暖爐等,也要記得避開,就可以更安全。

鋰電池的應用方式不同,安全措施也需要隨之調整。如電動車跟儲能系統中,會使用成千上萬顆鋰電池,當每顆電池都有安全風險時,如何不讓鞭炮般連續爆炸的連鎖效應發生,是未來系統設計的重點。

有安全認證才認真安全

作為使用者,該如何享受鋰電池的便利,同時確保自身安全呢?

遵守鋰電池的使用規範是首要條件:例如要在適合的溫度內使用,不接近高溫或有火源的環境。使用電器產品保持謹慎,電池出現如膨起等異常就立即停止使用。

如果購買的產品經過認證,內置的鋰電池設計妥善,且使用時遵守相關規範,就可以把「爆炸自燃」的可能性降到非常非常低囉。

話說回來,又是誰在幫鋰電池進行安全認證,替鋰電池的使用者把關呢?

泛科學採訪了全球產品安全認證機構 UL,他們位在新北市林口/龜山的實驗室 ,正擔負起替各種商品的安全性把關的重責大任。UL 目前已發展超過 1,400 種安全標準,每年評估超過 2 萬多類的產品,幾乎涉及到所有你想得到的商品,當然也包括了鋰電池。

UL有個測試研發單位,其重要工作就是研究鋰電池的各種失效方式。過往較受矚目的任務,包括受託調查三星及波音 787 發生的電池問題。針對鋰電池的安全性, UL 研發實驗室除了會以儀器分析,掃描其物理結構,也會在不同的條件下測試電池的充放電,以逆向工程的方式,拆卸分解,找出鋰電池的弱點。

此外,實驗室為了洞悉不同鋰電池產品的「失效模式」,會用實驗模擬,甚至如針刺的物理破壞方式「讓它爆看看」,藉此收集各種會讓電池「失效」的相關資訊,提供後續針對失效模式的設計建議。現階段,由於材料的設計與限制,不存在「完全安全」、不會爆炸的鋰電池,但可以放心的是,這世界存在著經過檢驗與設計、安全性較高的產品,以及較為安全的使用方式。

未來在購買相關產品時,我們除了關心性能、售價等因素,不妨多注意注意鋰電池是不是經過安全認證,為這美好的科技世界獻上祝福吧!

 

本文由 UL 委託,泛科學企劃執行

所有討論 6
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
160 篇文章 ・ 270 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

0

1
2

文字

分享

0
1
2
【快訊】一充二充三充,你再也離不開的科技:鋰電池──2019 年諾貝爾化學獎
PanSci_96
・2019/10/09 ・997字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 479 ・五年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

2019 諾貝爾化學獎頒給了 John B. Goodenough、M. Stanley Whittingham、吉野彰 ,因為他們發明了鋰電池,創造了一個可以反覆充電的世界。

2019 年的化學獎由三人共同獲得,他們發明了鋰電池。圖/nobelprize

石油危機怎麼辦?那就換種電池吧!

鋰電池這種質量輕盈又可以反覆充電的電池,現在的應用面向非常廣泛,舉凡我們日常使用的手機、筆電和各式各樣電子產品。鋰電池可以存下非常大量來自太陽能、風力發電而來的能量,使得我們有可能再也不需仰賴化石燃料。

鋰電池的發明源於 1970 年代的石油危機。當時,Stanley Whittingham 嘗試找出方法,讓人們可以不再依賴化石燃料。他開始研究超導體,而後發現了一種蘊含了很多能量的原料,他將其用於鋰電池中,以創新的方式創造陰極。這種材料是由二硫化鈦所製成的,在分子大小時,具有可以容納、嵌入鋰離子的空間。

直接用鋰會爆炸!怎麼辦呢?

起初的設計陽極是由具有強反應性的金屬鋰製成,有很高的電位,足以超過 2 伏特。但也由於金屬鋰的活性太高,會讓電池太容易爆炸、無法使用。

John Goodenough 提出預測,電池陰極如果使用金屬氧化物取代硫化物,應足以達到更佳的電位。在經過一系列的研究之後,1980 年他證明了,若將嵌入鋰離子的氧化鈷(鈷酸鋰,LiCoO2)作為陰極,可以產生高達 4 伏特的電壓。這個重要的突破引出後來更有效的電池。

以Goodenough的催化反應為基礎,吉野彰則在 1985 年研發出商業可行的鋰電池。他使用以碳基材料石油焦 (Petroleum coke) 為原料的石墨作為陽極,取代金屬鋰的使用。

直接用鋰會易燃易爆炸啊!住手!圖/pixabay

輕薄電池誕生!多次充電新世界

可別小看電池,它們可是大大改變了我們的生活!圖/wikipedia

最後,他們便創造出了這種輕巧耐磨,又可以在性能降低前充電上百次的電池。鋰離子的好處在於,它們的原理並不是利用分離電極的化學反應來供電,而是利用鋰離子在陽極和陰極之間來回流動。

總而言之,鋰離子電池自從 1991 年進入市場後,便大幅改善了我們的生活,也為未來無線、無化石燃料的世界打下了重要的基礎,可說是造福人類的一項重要發明。

PanSci_96
1013 篇文章 ・ 1232 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。