木也能用來製電池?

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木材中的木質素成為製作電池更可持續的原材料。 圖片來源:symbiot/Shutterstock

市場對電動車需求日漸增加,科學家亦持續尋找更好的電池物料,他們發現樹木中的木質素(Lignin)也可用作製造電池,或可成為更可持續的替代品。

約 8 年前,芬蘭一間主要造紙商 Stora Enso 意識到網媒興起、辦公室無紙化、書信郵寄減少等影響下,紙張需求一直穩步下降,開始嘗試轉型生產電動汽車電池。他們聘請工程師研究使用木質素的可能性。一棵樹大約 30% 是木質素,其餘則是纖維素(cellulose),不過具體仍取決於樹種。

Stora Enso 木質素電池解決方案產品經理 Lauri Lehtonen 解釋:「木質素是樹木中的膠水,可以將纖維素黏合在一起,使樹木非常堅硬。」木質素是一種含有碳的聚合物,碳則是作為電池陽極的絕佳材料,公司工程師想到可從生產過程中剩下的廢紙漿提取木質素加工,製造用於電池陽極的碳材料。Stora Enso 正與瑞典公司 Northvolt 合作,計劃最早在 2025 年投產電池。

據管理顧問公司麥肯錫指出,2015 年全球電池庫存需要每年額外增加幾百吉瓦時(GWh),而依據世界捨棄化石燃料的趨勢,到 2030 年需求將激增至每年額外需要數千吉瓦時。惟現時生產鋰電池很大程度上依賴對環境有害的工業過程及採礦,電池中某些物料有毒且難以回收,更甚是製造合成石墨需要將碳一次加熱至高達攝氏 3,000 度數星期。顧問公司 Wood Mackenzie 指出,這種能源通常來自中國的燃煤發電廠。

Lehtonen 指目前製作碳陽極材料的過程中,亦涉及加熱木質素,但溫度遠不及合成石墨生產所需的溫度。而由此產生的碳結構不規則,Lehtonen 說:「它實際上讓離子進出流動性更大。」Stora Enso 指此特性將有助製造出可在 8 分鐘內充電的鋰離子或鈉離子電池,此類快速充電,正是電動汽車電池開發商的主要目標。

Stora Enso 及Northvolt 合作使用木質素製造可持續電池。 圖片來源:Stora Enso

英國倫敦帝國理工學院可持續能源材料主席 Magda Titirici 團隊,對木質素衍生的碳陽極進行獨立研究,顯示這種材料可以製造出包含複雜、不規則碳結構,及大量富氧缺陷的導電墊。Titirici 說,這些缺陷似乎可提升鈉離子電池中,離子從陰極轉移時陽極的反應,從而縮短充電時間。

在可持續的問題上,國際清潔交通委員會(ICCT)研究員 Chelsea Baldino 指出,只要用以生產的木質素,是造紙過程的副產品,就不需為製造電池而額外砍伐樹木。

除陽極外,木質素更能夠用於電池另一部分。去年 4 月,意大利一個研究團隊發表論文,介紹他們所開發的木質素電解質。電解質是位於陰極及陽極之間的重要部分,以幫助離子在電極之間流動,迫使電子按照路徑通過電池所連接的電路,防止電子在電極之間彈跳,導致電子器材死機。

米蘭理工大學科學與技術材料系副教授 Gianmarco Griffini 指出,人們可從石油中獲得用於電解質的聚合物,但若找到可持續的來源作替代,將會帶來益處。