《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!

書籍介紹

本文摘錄自《21世紀諾貝爾化學獎2001-2021》,鷹出版

作者:科學月刊

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化學獎看起來越來越像生醫獎,又有什麼不可?
從塑料的發展,到尼龍、防水衣服,
再到液晶顯示器,甚至新冠疫苗的研發
生活上的應用無所不在,能領悟其中奧妙的諾貝爾化學。

每個世代的得獎者皆有其特色,反映著近代化學的歷史和演進。
進入21世紀之後的諾貝爾化學得主,
女性表現的越發出色,並與物理學、生物學進行大融通。
他們以先驅角色,引領科學不斷朝向知識的邊界前進。

本世紀諾貝爾化學獎的二、三事

  • 諾貝爾化學獎近來多頒給生物學家,這是怎麼回事?
  • 回應本世紀能源減碳重大課題,2019年化學獎肯定了新型電池的研究。
  • 第一個獲批轉的mRNA疫苗,背後竟是化工製程和生命知識的結合。
  • 研究水母為何發光,卻開創了疾病治療的新頁!
  • 諾貝爾化學獎史上7名女性得主中,21世紀就佔了4名!
  • 2014年光學解析度大突破,顯微鏡成為顯「奈」鏡了。

每年10月諾貝爾獎頒布,總在媒體和學界引來話題,從獲獎人的國家、背景、學術經歷和奮鬥歷程,到得獎感言和頒獎花絮,誠然是全球學界每年最大的盛事,因為它代表得主在科學成就的巔峰,也能展現出科學發展的最新趨勢。

《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。

在最近的過去,諾貝爾化學獎有時表彰了科學家在化學方面的影響,但更多時候是表其彰對生命科學的影響。這些反映一個現實:化學獎越來越移向生命科學領域。事實上,本來,生命科學的研究就一直是化學家著迷的問題。而化學也可以被視為物理學的一個分支,因為它是對物質的研究,分析其結構、性質和變化,以瞭解它們在化學反應中發生了什麼事。這都促成了物理、化學與生物學的大融通。

其中一例是2019年諾貝爾化學獎由化學家惠廷翰(M. Stanley Whittingham)、吉野彰(Akira Yoshino)和固態物理學家古迪納夫(John B . Goodenough)三位獲獎,得獎原因是「對鋰離子電池發展」的重大貢獻,如今電池發展是本世紀能源減碳重大課題。因此化學在一個全科大學出現在大部分的科技領域,包括工、農、醫、生命科學院。

另一例是2018諾貝爾化學獎―—化學中的演化與革命。Caltech化學系的阿諾德(Frances Arnold)反向利用生物演化的概念,開發叫做定向演化的化學催化劑。在定向演化中,阿諾德在實驗室中提供了一個新方式,鼓勵酶的演化來催化商業上有用的反應。

此外實驗技術的突破,也為研究帶來很大的進步。例如2008年GFT(讓水母發出綠色螢光的物質)的發現,廣泛被運用在生物、生技與醫學領域,讓科學家能藉由螢光標定,更瞭解生物體或細胞內生命的運作,有讓我們對疾病的產生跟治療有更進一步的認識。而2020年得主道納與夏彭提耶,研究細菌的CRISPR/Cas系統,研發出一種簡單的基因編輯方法,將可望應用於許多領域。

另外值得一提的是,為本書撰稿的台灣化學家中,有許多師出諾貝爾獎大師門下,能一窺得獎者或特立獨行的研究風格,或平易近人的為人處事一面,更神遊於他們治學的風範和精神。

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責任編輯:翁世航
核稿編輯:潘柏翰


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除了企業紓困貸款100萬專案,還有這3大貸款方案可申請!

為了降低疫情對國內經濟造成的衝擊,央行提供的中小型企業融資專案祭出相關優惠,以期協助企業度過難關,然而今年雖確定不續辦,但2022年經濟部仍針對企業提供解決資金問題的方案,主要有「舊有貸款展延」、「營運資金貸款」以及「振興資金貸款」3種,以下將介紹這些貸款方案的申請額度、期限等內容,提供給大家參考:

1. 舊有貸款展延
相關規定:
受影響事業於中華民國110年6月1日前已辦理的貸款,可申請展延本金償還期限(含寬限期),中華民國109年、110年5月至12月及110年受影響中小型事業的第一款貸款,可辦理利息減免。
貸款期限:最長1年
貸款利息與額度:利率最高按中華郵政一年期定期儲金機動利率計算。每家利息補貼金額以新臺幣22萬元為上限。

2. 營運資金貸款
相關規定:
受影響事業所需,用以支付員工薪資及廠房、營業場所或辦公場所租金時得予申辦。
貸款期限:每筆貸款期限最長3年,含寬限期最長1年(利息補貼最長6個月)
貸款利息與額度:於中華民國109年、110年5月至12月及110年受影響中小型事業的第一款貸款,貸款利息得以補貼,利率最高按中華郵政二年期定期儲金機動利率加百分之一計算。每家利息補貼金額以新臺幣5.5萬元為上限。此外,員工薪資與租金貸款額度均視申貸前一個月受影響事業的投保情況而定,最高核給6個月薪資/租金總額,總貸款額度最高為新臺幣600萬元。

3. 振興資金貸款
相關規定:
受影響事業所需振興週轉資金時可予以申辦。
貸款期限:每筆貸款期限最長5年,含寬限期最長1年(利息補貼最長1年)
貸款利息與額度:中華民國109年、110年5月至12月及110年受影響中小型事業辦理第一款及前款貸款,利息得予補貼。補貼利率最高按中華郵政二年期定期儲金機動利率計算。前款貸款額度,最高為新臺幣1億5千萬元。每家利息補貼金額以新臺幣22萬元為上限。

*以上僅簡單列出政府針對中小企業推出的企業紓困方案初步介紹,詳情可參考經濟部發布的資金紓困振興貸款及利息補貼作業要點

企業紓困貸款資格
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經濟部的相關資金紓困措施如圖所示,申請人可先瞭解每種融資額度、利率與利息補貼方式後申辦。

申請後何時可以獲得資金援助?掌握企業紓困貸款條件審核方式

申請貸款時,需準備相關證明文件,包含企業登記證明、營業狀況(像是來客數統計表、存摺、銀行網銀紀錄、報表等其他收入支出資料)等文件。若是在中華民國110年受影響之中小型事業,應於111年6月1日起至111年12月31日期間內向金融機構提出申請,最遲便會於112年6月30日以前動撥完畢。

相挺中小企業度過難關最佳夥伴|各式紓困貸款管道統整

企業紓困貸款100萬
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除了中央政府,銀行、融資租賃公司、民間貸款等也是中小企業申請紓困貸款的管道。

除了政府的企業紓困方案,其他像是銀行、融資租賃公司、民間貸款等,也都有提供中小企業貸款方案,以下簡單說明不同管道的申辦差異:

1. 中央(政府)企業紓困貸款:
申請名額多,資金來源安全有保障,但審核時間較長、申請流程繁瑣,可能需要至少半年以上的時間。

2. 銀行貸款:
個人與企業皆可申請貸款,不過申請門檻較高,對於信用條件較嚴苛,申請後撥款約需等待1~2週。

3. 融資租賃公司:
貸款門檻較彈性,核撥時間快速,通常僅需3個工作天就可完成,且有些會提供多元化的資貸、租賃或分期方案選擇。

4. 民間貸款:
個人與企業皆可申請,但每家貸款申請條件、利率計算方式與撥款速度皆不同,挑選時須留意。

由以上比較可知,政府與銀行的企業紓困方式申請門檻高、申請流程較繁瑣,且等待撥款的時間也較久,因此,越來越多中小企業會選擇值得信賴的融資租賃公司申辦。

中租企金的彈性金援服務,協助中小企業緩解當務之急

中租企金融資服務專為中小企業提供彈性紓困貸款
Photo Credit:中租企金
中租企金融資服務專為中小企業提供彈性紓困貸款,不僅方案更彈性,審核時間也更快速。

隸屬於中租控股集團旗下公司的中租迪和,是台灣租賃產業的龍頭,長期致力於中小企業融資相關業務,並觀察到許多中小企業因應產業類別、公司規模等不同條件,在準備申請文件時需要耗費許多心力,才能符合銀行方的審核要求;加上申請流程繁雜、核貸時間長,容易導致緩不濟急的情況發生。為此,中租企金提供客製化的諮詢服務,在瞭解營運現況、資源需求後,可為申貸企業量身打造出適合的融資方案,即時提供資金援助。

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