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【諾貝爾獎闡釋】遲來的肯定:由無人問津 到不可或缺的鋰離子電池

2019/10/10 — 15:49

現時全球至少三分一人口擁有智能電話,而這類隨身裝置絕大部份都是由可充電鋰離子電池 (Lithium-ion batteries) 供電。所以說鋰電池改變了電子產品發展並不誇張,而今年獲得諾貝爾化學獎獎的科學家 John Goodenough 、 M. Stanley Whittingham 與吉野彰,更可被形容為改變世界的先驅。

電池儲電和放電是透過電池上帶電荷的陰陽兩極 (cathode 及 anode) 的化學作用產生。正離子會經過電解質,從陽極游走至陰極,而電子則從反方向游走,為電子設備供電。回望電力開始普及的 19 世紀末期,不少車輛或其他裝置採用電池提供能量。然而,當時的電池仍十分笨重及效率低,所以實際應用有一定限制。取而代之的是利用化石燃料提供能量予裝置運作,而電池研究亦日漸式微。

化石燃料無疑效率高,但隨著用電需求增加、石油危機湧現,加上化石燃料所造成嚴重環境問題, 1960 年代,不少科學家開始尋找儲存和使用能源的新方法。其中一個研究方向,是重新研究怎樣電池應用。早於 1912 年,科學家 G.N. Lewis 就注意到鋰金屬最低密度金屬元素的特性,並可透過放棄電子組成離子,適合用於電池製作。不過鋰金屬同時也會出現極高化學反應,所以一直仍未適合用作電池材料。

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直至 1970 年代,鋰電池研究才開始有起色。專門研究超導體的化學家 Whittingham 在 1970 年代,對分層固體 (layered solid) 特別感興趣。這種物料的特性可吸收離子,儲存於其結構內。基於此發現, Whittengham 測試以新物料二硫化鈦 (titanium disulphide) 可用於鋰電池的陰極,並讓鋰離子自由移動。不過這類電池化學反應還是相當活躍,而二硫化鈦也會在化學作用期間產生臭味,並對大部份動物都有害,所以安全性仍成疑,未有應用。

Goodenough 留意到 Whittingham 的研究,並嘗試以其他物料作陰極,以增加電池穩定性。他發現使用氧化鈷 (cobalt oxide) 作為陰極的話,效果會比當時常用的二硫化鈦更佳。不但可令電池電壓增倍、電量增加,以增加其每次充電使用時間等。

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雖然 Goodenough 改用氧化鈷作為陰極改善了電池效率,但鋰電池的鋰製陽極仍然不穩定,容易引致電池短路甚至爆炸。吉野彰發現可利用可導電聚合物,石油副產品——石油焦 (petroleum coke) 取代鋰陰極,配合 Goodenough 的氧化鈷陽極下,可大幅增加電池穩定性,令其成為較輕、效率高,及可充電的鋰電池。鋰離子電池亦不再是像傳統電池般以化學作用分解電極生產電力,而是利用鋰金屬離子流動兩極,產生電力。雖然鋰離子電池研發成功,但吉野彰在記者會坦言,鋰電池研發後三年銷量欠佳,令他的承受頗大壓力。

由最初無法應用,到研發成功後沒人使用,直至今日大部份隨身電子產品都會用到,三位科學家對鋰離子電池研發功不可沒。鋰離子在未來不會只是用於日常手提電話、電腦等設備,更有機會成為能源變革重要一部份,幫助儲存再生能源產生的電力等。 

參考資料:
Quantas, Nobel Awarded for Lithium-Ion Batteries and Portable Power, 9 October 2019
NobelPrize.org, Press release: The Nobel Prize in Chemistry 2019, 9 October 2019

文/Edward Ho、審核/Alan Chiu

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