《21世紀諾貝爾化學獎2001-2021》:「鋰離子電池」的發明如何改變電器使用生態?

《21世紀諾貝爾化學獎2001-2021》:「鋰離子電池」的發明如何改變電器使用生態?
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《21世紀諾貝爾化學獎2001-2022》集結《科學月刊》每年在諾貝爾獎得主公布後,邀請國內同領域的專家,分析該年各個得主生平事蹟和得獎領域,以深入淺出的文字和說明,讓讀者瞭解化學研究的最新景況,前瞻地引導讀者思考科學的前景。

文:顏宏儒

2019 改變電器使用生態的鋰離子電池

2019年諾貝爾化學獎由英國化學家惠廷翰、美國固態物理學家古迪納夫和日本化學家吉野彰三位獲獎,得獎原因是「對鋰離子電池發展」的重大貢獻。

全球的手機、平板、個人電腦、甚至電動車,大部分裝載著效能及穩定性較高的鋰離子電池,且這種電池也是可充電電池中最普遍的類型。大量應用在人類生活中的鋰離子電池,並非在研發之初就得到成功,而是歷經一代又一代的改良,才成為現在商用的模樣。

一切電池的源頭——伏打電池

現今大家常用的電池,其實和最早發展出來的電池相當不同。最早的電池開發於18世紀,義大利科學家伽伐尼(Luigi Galvani)將兩種不同的金屬連接,然後同時觸碰青蛙腿的兩處神經,意外產生火花且造成蛙腿抽搐,他因此提出「動物電」的理論。

萬千選擇中,為何非「鋰」離子莫屬?

鋰原子的平均原子量只有6.94,是最輕的金屬。此外,鋰的原子序是3,意即它帶有三顆電子;在電子排列時,鋰的第三顆電子落在最外層,相當容易被釋放出來,也就是說,鋰具有很大的驅動力把電子傳給別的原活性相當大(圖一)。

在人類追求高電容量、輕量化的儲能設備時,鋰離子電池是能夠符合需求的選擇。與車用的鉛蓄電池相比,在提供相同的能量下,它可以絕對地輕量,並達到無線化及無石化燃料社會的可能性。

諾貝爾化學-圖一
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鋰最外層的電子易被釋出,並形成鋰離子。

另一位義大利科學家伏打(Alessandro Volta)則很快地也重複該實驗,認為應該不是動物電,伏打更意識到青蛙的腿既是電的導體(即現今所說的電解質),便把青蛙的腿換成泡過鹽水的紙。後來他將鋅板和銅板交錯疊在一起,並在中間放了浸泡過鹽水的濕抹布,發現可以導電,進而開發出人類歷史上第一顆電池——伏打電池(voltaic pile)。

伏打電池運作的原理主要是因為兩種金屬的活性不同所發生氧化還原現象:鋅的活性比較大,較容易把電子丟掉而發生氧化反應(負極),被丟掉的電子沿著外面的電路傳到銅片上產生還原反應(陰極),因為電子流動了,所以可以導電。而濕抹布的角色被稱為「電解質」,負責傳導溶液中的離子,裡面的陽離子會在銅片這端得到電子而還原被析出,待陽離子全部析出後,電池的壽命也就結束,此原理被持續使用至今天的一次性電池,也就是碳鋅電池和鹼性電池。

充電新生活革命:關於鋰離子電池

人類在1970年代時意識到石油資源有限,不可能無止境地開發,所以開始尋求其他如太陽能、風能等再生能源的開發,希望為人類找到除了化石燃料外的替代能源。而通常再生能源都是無法連續的,必須設法將這些能源儲存下來。

當時艾克森石油(Exxon)公司投入了新能源的研究,惠廷翰就是在那時加入艾克森,並致力於開發最終能擺脫化石燃料的能源技術,成功發展出二硫化鈦(titanium disulphide),製成能將離子嵌入的超導體,作為電池的陰極(圖二),並使用鋰金屬作為電池陽極,利用鋰的強大動力釋放電子,讓電子在陰陽極間流動,製備出的電池只有銀幣般大小,卻可提供太陽能手錶使用所需的電力。

諾貝爾化學-圖二
Photo Credit: 鷹出版
以金屬鋰作陽極、嵌入離子的二硫化鈦作陰極的電池。

但是,當他試圖想要提升電池的工作電壓或製作更大型的電池時,電池經常着火。雖然因鋰的活性太大、易爆炸而無法使用,但仍開發出首個具有充放電功能的鋰離子電池,為往後鋰離子電池的發展奠定基礎。

強化電壓的陰極材料——鈷酸鋰

承襲惠廷翰的研究,古迪納夫與日本學者水島公一(Koichi Mizushima)等人於1980年突破性地發明鋰離子電池的陰極材料——鈷酸鋰(LiCoO2),讓電池可產生高達四伏特的電壓,是以二硫化鈦做為陰極材料的兩倍之多,為現代鋰離子電池做出了突破性及先驅性的貢獻,更為無線革命踏出決定性的一步(圖三)。以鋰鈷氧化物作為電池的陰極材料,不只能量密度大、重量輕、成本低,而且還可依設備的大小來製作。

諾貝爾化學-圖三
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將電池陰極汰換為鈷的氧化物。

得獎時為九十七歲的古迪納夫(John B. Goodenough)是美國德州大學奧斯汀分校(University of Texas at Austin)教授,在2018年物理學獎得主美國學者亞希金(Arthur Ashkin)於九十六歲得獎之後,以九十七歲高齡刷新諾貝爾獎紀錄,成為最年長的得獎人。值得一提的是,得獎時九十七歲的古迪納夫至今仍醉心於電池研究,其團隊後來還發明了錳酸鋰(Li2MnO4)和磷酸鐵鋰(LiFePO4)。

2017 年,古迪納夫更發展出「全固態」(all-solid-state)鋰離子電池,致力打造出體積更小、容積更大、更穩定的鋰離子電池,也讓他榮獲美國國家科學獎章(NationalMedal of Science)的肯定。

引頸企盼,終於商業化

日本化學家吉野彰是日本化學公司旭化成株式会社的研究員,並被視為現代鋰離子電池的發明者。1985年,吉野彰在古迪納夫的基礎上,使用石油焦(petroleum coke)取代金屬鋰作為陽極,創造出更穩定安全、體積更輕巧、在商業化上可行的鋰離子電池(圖四)。隨著索尼(Sony)在1991 年製造出世界上第一款商用鋰離子電池,也樹立一個在成本、性能和可攜性上難以超越的電池結構,從此開啟行動電子設備的革命,手機、照相機、手持攝影機乃至電動汽車等領域,陸續步入可攜式新能源的時代。

諾貝爾化學-圖四jpg
Photo Credit: 鷹出版
以石油焦作為陽極,更趨商業使用需求的電池自此誕生。

鋰離子電池的「延壽」之路,未完待續!

鋰離子電池的技術在過去十幾年來大幅增進,能量密度、壽命及價格都較以前來得有競爭力。然而,鋰離子電池並非毫無缺點。首先,它並不是完全穩定的,其中液態的電解質高度易燃。另外,由於鋰離子電池電極會隨着每次充放電而膨脹和收縮,慢慢會耗損電池中的鋰並使其效能下降,壽命相當有限。

因此,目前有非常多的新研究試著改變整個體系,例如鋰硫電池、鋰空氣電池、固態電池,甚至還有許多非鋰系電池的發展,如成本較低的鈉、鎂電池,以及壽命較長的鋁電池等,都正以不可思議的速度發展中。未來,或許也有機會看到更具有突破性的發展!

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