告別鋰離子電池時代?

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當你能成為精靈訓練員日夜鍛練時,從手機電池到流動充電器,鋰離子電池該是你感恩的發明,自 90 年代鋰離子電池(lithium-ion battery)應用在商業市場以來,便成了電子時代重要的支柱。但我們很可能快將告別鋰離子電池時代,學術期刊 Nature Energy 上月有研究表示,一種比鋰離子電池至少高兩倍效能的新型電池將會面世

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研究人員主要來自美國麻省理工學院及美國阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory),據經濟學人報道,該技術構思屬於鋰空氣電池(lithium–air battery)的一種,早於 70 年代已有相關研究,理論上,該電池可比相同重量的鋰離子電池儲存多 4 倍的能量。一如其名,該電池需要氧氣,但其他大氣成分如水蒸氣、二氧化碳則可造成損害。

即使提供純氧的環境,技術裝嵌上也有不同困難,例如在充電時需消耗大量能量,因過程需轉化氣態氧氣成固態,再轉化成氣態,這樣的相位變化(phase changes)可浪費 30 % 所輸入的電力。此外,固態化過程造成的體積轉變,會使電池電極勞損,而令電池容易老化。

研究突破是使用超氧化鋰代替空氧,並將超氧化鋰嵌入鈷氧化物矩陣,以增加穩定性。(圖為矩陣意想圖) 圖片來源:經濟學人
研究突破是使用超氧化鋰代替空氧,並將超氧化鋰嵌入像海綿的鈷氧化物(意想圖中為黃色),以增加穩定性。 圖片來源:經濟學人

研究團隊與以前的技術最大的分別在於,新技術沒有使用真正的空氣,電池是完全密封,而內面儲存的氧氣,實際是超氧化鋰(LiO2),因它本身極不穩定,容易還原成氧氣。但要防止超氧化鋰立即分解,團隊將它嵌入像海綿的鈷氧化物(cobalt oxide)中,從而提高穩定性。

當新電池在放電時,電解液中的鋰離子與在鈷氧化物裡的氧氣產生化學反應,形成固態的鋰離子氧化物,而當中產生的電流,可應用在手機以至電動車引擎。新技術只會消耗 8% 的能量,同時亦大大延長電池壽命,在 130 次的充電和放電測試中,電池只損失了 2% 的蓄電能力。

新技術得到其他院校的學者讚賞,一掃以往對鋰空氣電池可行性的懷疑。團隊希望在一年內,能將電池原型改良成可工業生產。利物浦大學 Laurence Hardwick 認為,在工程的角度,這技術有可能快速發展;而對於 Tesla 和它的競爭對手,新技術也可促進在開發更輕更強的電池的良性競爭。

研究團隊已就新技術申請了專利,並正尋找生產商。問題在於,該技術最終會花落誰家?另一問題是,電子產品日新月異,開發電池的速度與人貪新厭舊的速度,又誰會勝出呢?