我們的世界不能沒有「Li」(下)

如果把電池拆開來看,一顆鋰電池主要的組成包含了正極材料、負極材料、隔離膜與電解液。一般會用正極材料作為電池命名的標準,例如碳鋅電池、磷酸鋰鐵電池、三元電池等等,由此也可以看出電池的正極材料包含碳、磷酸鋰鐵、三元材料、鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰等等,除了傳統的碳鋅電池是用鋅作為負極,現在為了讓快速充電的效果更好,負極材料則多半是石墨、鈦酸鋰、矽碳等。至於電解質則是有機溶劑,負責在正負極之間攜帶離子、讓電池通電。

特斯拉使用的NCA電池,能量密度高達220Wh/kg,比傳統鋰鐵電池高出將近兩倍。

三元電池 調整配方變便宜

在眾多電池當中,目前的主流非「三元電池」莫屬,所謂用三元材料做的電池,是由鋁、鎳、錳、鈷等主要化合物,依照調配比例的不同而來,像是特斯拉主要使用的鎳鈷鋁電池(NCA)或是日韓大廠主力研發的鎳錳鈷電池(NMC),都屬於三元電池的一種。三元電池的特點在於鎳、鈷、錳之間存在明顯的協同效應,因此鎳錳鈷電池的性能比較好,能量密度也較高。

而三元電池的配比方面,鎳錳鈷電池原本的比例是各為三分之一,但是為了把鈷的成本降低,也有廠商將鎳的比例拉高,讓鎳、猛、鈷的占比分別為0.8、0.1、0.1,這麼做的好處是在成本降低的同時,還能提升電池容量。

不過,鋰電池這麼好用,也還是有些缺點存在。比如越冷的地方電掉得越快,零下20°C時性能僅維持50%,再冷到零下40°C時可能只剩12%;而且電解質因為是液體的緣故,一旦有水分進入或者被刺破,都可能使電解質瞬間產生熱能造成燃燒、進而產生烷類與氫氣等,導致高溫爆炸。

新興電池 商轉之路還太遠

從這裡不難看出,電解質的成分是避免電池「短命」的關鍵之一,除了目前各大廠試圖製造的「固態電解質」,也有科學家嘗試用其他的有機材料進行製作。例如之前中國大陸的科學家利用有機材料作為正負極、凝固點極低的乙酸乙酯(零下84°C)作為電解質,打造出零下70°C、效能還能維持70%的可充電鋰電池,電極價格更只有典型鋰離子電池的三分之一。

電池是個有點麻煩的玩意兒,過熱、過冷都不能使用,溫度太低也會不願意工作,但科學家對於電池技術的研發已有了革命性的突破。

把鋰電池變便宜還不過癮,澳家墨爾本理工大學(RMIT)的研究人員更率先研發出全球第一款可充電質子電池。該電池結合了氫燃料電池的優勢,電極中的碳與生成的質子結合通過、在電源的幫助下分解水,當質子再次釋放並通過時,可逆燃料返回與空氣中的氧形成水來發電,是一款可以充電、不需要金屬材料,也不會造成碳排放汙染的電池。RMIT研究團隊甚至揚言能在5~10年內上市,挑戰現有的鋰電池技術。

不過,這兩種新電池在應用上暫時不能太樂觀,前者的電池電量很低,難以商轉,僅適用極寒環境或者外太空探測;後者目前的原型是一個僅有1.2V的小電池,要撼動鋰電池的地位恐怕還需要一些時間醞釀。

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