【科技．未來】物料廿多年未變 鋰離子電池陷瓶頸
我們的生活已被鋰離子電池（Lithium-ion battery）左右，當手機電池格變為紅色，已足夠讓不少人焦躁不安，若手機無電更是度日如年。當手機已從「大哥大」演變到智能電話，鋰離子電池面世廿多年來卻大同小異，離技術瓶頸極限不遠。第五代流動通訊（5G）、電動車、太陽能電網、飛天車（flying cars）等各種未來潮流紛紛湧至，正好需要一場電池革命來支持，一眾初創公司、大學和業界巨頭爭相研發，掀起一場電池競賽。
鋰離子電池在過去廿多年並非毫無寸進的，在同等容量下，可儲存的能量翻了三倍有多，成本卻大減至約三十分之一。電動車生產商特斯拉（Tesla）第七號員工貝迪基夫斯基（Gene Berdichevsky）憶述，2003年特斯拉成立時，電池的能量密度在技術上已穩定增長了約十年，大約每年增長7%。
但到了千禧年代中期，電池技術的進步開始減慢，再到最近的七、八年間，科學家們幾經辛苦才在電池的能量密度上得到0.5%改進。而這些進步主要是來自工程和生產上的改進，可能是所用的物料更純淨，或生產商有能力把電池的組件做得愈來愈薄，以在有限空間下放進更多有效元件，增加電池效能，未有從根本上變革電池。
電池過去27年來都在用相同的化學原理，只不過造得愈來愈精細而已。
1799年，意大利物理學家伏特（Alessandro Volta）研發出世上第一枚電池，此後的電池基本上都由陽極（anode，正極）、陰極（cathode，負極）電極，以及攜帶離子的電解質（electrolyte）這些關鍵部分組成。鋰離子電池發電時，鋰離子會從陽極移到陰極，同時產生電流讓電器運作，接上電源充電則出現相反情況（見下圖）。
1977年，英國科學家惠廷翰（Stanley Whittingham）以鋰和鋁作為陽極，製造出世上首枚可充電的鋰離子電池，電池只有銀幣般大小，可提供太陽能手錶所需的電力。然而，當他試圖提升電壓（即讓更多的離子進出），或製作更大型的電池時，電池經常着火。
這個問題直到1980年，才由牛津大學物理學家古迪納夫（John Goodenough）提供解決方法。在他指導下，兩位研究員按着元素周期表，測試不同金屬氧化物配合鋰的表現，以取代惠廷翰所使用的鋁化合物。
最終，他們選定了鋰鈷氧化物（Lithium Cobalt Oxide）的組合，成功為鋰離子電池發展帶來重大突破。以鋰鈷氧化物作為陰極的電池，不單能量密集，又輕身，價錢也不貴，還可供大小形狀的設備使用。
電池物料廿多年未變
1991年，索尼（Sony）便把這種陰極配合石墨（graphite，碳的一種）陽極，放進CCD-TR1攝錄機的電池內，是世上首個使用鋰充電電池的消費電子產品。此後，再沒有其他電池方案足以在成本、性能和便攜性上，挑戰這個電池配置。今天蘋果的iPhone X與當日索尼的攝錄機，在電池物料上並沒有多大分別。
然而，鋰離子電池並非毫無缺點。首先，它不算很穩定，液態的電解質十分易燃，有機會爆炸。美國電池初創公司Ionic Materials創辦人齊默爾曼（Mike Zimmerman）就形容，把手機放在褲袋裏，就好像在褲袋放了一支火水一樣。
其次，鋰離子電池的壽命不長。電極會隨着每次充電發電而膨脹和收縮，久而久之，會逐漸耗損電池中的鋰，令效能下降。現時石墨製的陽極膨脹和收縮的幅度大概在7%，約可承受1,000次完全充電發電。這也是為何我們的手機用上兩、三年，電池效能就會明顯減弱。
過去數十年，鋰離子電池的科研一直都在性能和安全之間走鋼絲。手機由過往的基本通訊、聽音樂，到現時出現導航、社交媒體、手機遊戲等功能，加上工作需要，令我們使用手機的時間愈來愈長。生產商既要追趕這些續航壓力，又要兼顧使用方便而不能做得太大太重，於是把電池元件造得愈來愈薄。一些高端電池的隔膜只有6微米（micron）厚，即大約我們頭髮的十分之一厚度。品質稍有差池，就會導致短路、高溫繼而爆炸，三星（Samsung）的Galaxy Note 7兩年前便發生過類似事件。
手機以外，平板電腦、手提電腦、智能手錶，以至電子煙、電動車和飛天車等，無一不使用鋰離子電池，未來對電池原料的需求只會有增無減。其中，作為電極重要材料的鈷（cobalt）不但稀有，開採和提煉過程複雜，其批發價在過去兩年間升了三倍。
技術局限問題迫在眉睫
與貝迪基夫斯基共同創立電池公司Sila Nanotechnologies的喬治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）材料科學教授尤辛（Gleb Yushin），上月底與該校同事在《自然》（Nature）期刊共同撰寫評論，說只剩十年時間重新設計鋰離子電池。文章提到，到2025年，全球每年將生產1,000至2,000萬輛電動車，假設每輛車電池使用10公斤鈷，屆時每年就需要10至20萬噸鈷，佔去現時全球產量的一大部分，屆時恐會供不應求。
鈷一直被喻為電池界的「血鑽」。現時全球約有54%的鈷來自非洲剛果民主共和國，《華盛頓郵報》2016年的調查發現，當地約有十萬名礦工只是攜帶簡陋的手工具和照明，就走到幾百呎深的地底挖掘鈷礦，安全上不但毫無保障，長期挖礦更容易患上呼吸系統疾病，亦可能令後代有先天缺陷，更甚的是，挖礦的還包括數千至數萬名童工。事實上，電池業界亦希望能與這些污名劃清界線，例如特斯拉的電池供應商松下（Panasonic），便在5月底宣布開發毋須使用鈷的電池。
至於Uber、空中巴士（Airbus），以及Google創辦人佩奇（Larry Page）等爭相研發的電動飛天車，若要如期在2023年推出飛天的士，以實現環保和疏導地面交通的願景，亦先要解決電池的問題。Uber工程和能量存儲系統總監米科爾扎克（Celina Mikolajczak）今年3月在一場國際性電池會議中承認：「我們需要的電池仍不存在。」理由很簡單，因為飛行需要考慮電池重量，而鋰離子電池實在太重。特斯拉電動車Model S的100千瓦特小時電池重達540公斤，但一架使用內燃機的雙座位飛機可輕至640公斤，故一眾飛天車現時只能把航程限制在30分鐘或約300公里內。
更麻煩的是，飛行規管要求飛機有足夠的後備燃料。斯洛伐克初創公司Aeromobil的飛天車選擇燃燒汽油，其首席工程師賓特利（Simon Bendrey）解釋：「現時需要足夠應付30分鐘的額外燃料，若飛20分鐘，就要預備50分鐘的燃料，對電池容量的要求將會增加一倍有多。」此外，這些電動飛天車現時設計為充電需時25分鐘至數小時不等，若要推出像Uber計劃般那種的士服務，等它充電的時間隨時長過飛行所需時間。
上述種種問題使現有的鋰離子電池逐漸走到盡頭，難以應付未來的科技潮流。科學界、業界、初創公司等各有進路，針對不同元件，以不同新材料來徹底改造鋰離子電池。 詳見另文：《【科技．未來】鋰離子電池見末路 新電池開發競賽展開》。
上文節錄自第123期《香港01》周報（2018年8月6日）《鋰離子電池陷瓶頸 難撐起5G飛天車 是時候換電了》。