【科技．未来】物料廿多年未变 锂离子电池陷瓶颈
我们的生活已被锂离子电池（Lithium-ion battery）左右，当手机电池格变为红色，已足够让不少人焦躁不安，若手机无电更是度日如年。当手机已从“大哥大”演变到智能电话，锂离子电池面世廿多年来却大同小异，离技术瓶颈极限不远。第五代流动通讯（5G）、电动车、太阳能电网、飞天车（flying cars）等各种未来潮流纷纷涌至，正好需要一场电池革命来支持，一众初创公司、大学和业界巨头争相研发，掀起一场电池竞赛。
锂离子电池在过去廿多年并非毫无寸进的，在同等容量下，可储存的能量翻了三倍有多，成本却大减至约三十分之一。电动车生产商特斯拉（Tesla）第七号员工贝迪基夫斯基（Gene Berdichevsky）忆述，2003年特斯拉成立时，电池的能量密度在技术上已稳定增长了约十年，大约每年增长7%。
但到了千禧年代中期，电池技术的进步开始减慢，再到最近的七、八年间，科学家们几经辛苦才在电池的能量密度上得到0.5%改进。而这些进步主要是来自工程和生产上的改进，可能是所用的物料更纯净，或生产商有能力把电池的组件做得愈来愈薄，以在有限空间下放进更多有效元件，增加电池效能，未有从根本上变革电池。
电池过去27年来都在用相同的化学原理，只不过造得愈来愈精细而已。
1799年，意大利物理学家伏特（Alessandro Volta）研发出世上第一枚电池，此后的电池基本上都由阳极（anode，正极）、阴极（cathode，负极）电极，以及携带离子的电解质（electrolyte）这些关键部分组成。锂离子电池发电时，锂离子会从阳极移到阴极，同时产生电流让电器运作，接上电源充电则出现相反情况（见下图）。
1977年，英国科学家惠廷翰（Stanley Whittingham）以锂和铝作为阳极，制造出世上首枚可充电的锂离子电池，电池只有银币般大小，可提供太阳能手表所需的电力。然而，当他试图提升电压（即让更多的离子进出），或制作更大型的电池时，电池经常着火。
这个问题直到1980年，才由牛津大学物理学家古迪纳夫（John Goodenough）提供解决方法。在他指导下，两位研究员按着元素周期表，测试不同金属氧化物配合锂的表现，以取代惠廷翰所使用的铝化合物。
最终，他们选定了锂钴氧化物（Lithium Cobalt Oxide）的组合，成功为锂离子电池发展带来重大突破。以锂钴氧化物作为阴极的电池，不单能量密集，又轻身，价钱也不贵，还可供大小形状的设备使用。
电池物料廿多年未变
1991年，索尼（Sony）便把这种阴极配合石墨（graphite，碳的一种）阳极，放进CCD-TR1摄录机的电池内，是世上首个使用锂充电电池的消费电子产品。此后，再没有其他电池方案足以在成本、性能和便携性上，挑战这个电池配置。今天苹果的iPhone X与当日索尼的摄录机，在电池物料上并没有多大分别。
然而，锂离子电池并非毫无缺点。首先，它不算很稳定，液态的电解质十分易燃，有机会爆炸。美国电池初创公司Ionic Materials创办人齐默尔曼（Mike Zimmerman）就形容，把手机放在裤袋里，就好像在裤袋放了一支火水一样。
其次，锂离子电池的寿命不长。电极会随着每次充电发电而膨胀和收缩，久而久之，会逐渐耗损电池中的锂，令效能下降。现时石墨制的阳极膨胀和收缩的幅度大概在7%，约可承受1,000次完全充电发电。这也是为何我们的手机用上两、三年，电池效能就会明显减弱。
过去数十年，锂离子电池的科研一直都在性能和安全之间走钢丝。手机由过往的基本通讯、听音乐，到现时出现导航、社交媒体、手机游戏等功能，加上工作需要，令我们使用手机的时间愈来愈长。生产商既要追赶这些续航压力，又要兼顾使用方便而不能做得太大太重，于是把电池元件造得愈来愈薄。一些高端电池的隔膜只有6微米（micron）厚，即大约我们头发的十分之一厚度。品质稍有差池，就会导致短路、高温继而爆炸，三星（Samsung）的Galaxy Note 7两年前便发生过类似事件。
手机以外，平板电脑、手提电脑、智能手表，以至电子烟、电动车和飞天车等，无一不使用锂离子电池，未来对电池原料的需求只会有增无减。其中，作为电极重要材料的钴（cobalt）不但稀有，开采和提炼过程复杂，其批发价在过去两年间升了三倍。
技术局限问题迫在眉睫
与贝迪基夫斯基共同创立电池公司Sila Nanotechnologies的乔治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）材料科学教授尤辛（Gleb Yushin），上月底与该校同事在《自然》（Nature）期刊共同撰写评论，说只剩十年时间重新设计锂离子电池。文章提到，到2025年，全球每年将生产1,000至2,000万辆电动车，假设每辆车电池使用10公斤钴，届时每年就需要10至20万吨钴，占去现时全球产量的一大部分，届时恐会供不应求。
钴一直被喻为电池界的“血钻”。现时全球约有54%的钴来自非洲刚果民主共和国，《华盛顿邮报》2016年的调查发现，当地约有十万名矿工只是携带简陋的手工具和照明，就走到几百呎深的地底挖掘钴矿，安全上不但毫无保障，长期挖矿更容易患上呼吸系统疾病，亦可能令后代有先天缺陷，更甚的是，挖矿的还包括数千至数万名童工。事实上，电池业界亦希望能与这些污名划清界线，例如特斯拉的电池供应商松下（Panasonic），便在5月底宣布开发毋须使用钴的电池。
至于Uber、空中巴士（Airbus），以及Google创办人佩奇（Larry Page）等争相研发的电动飞天车，若要如期在2023年推出飞天的士，以实现环保和疏导地面交通的愿景，亦先要解决电池的问题。Uber工程和能量存储系统总监米科尔扎克（Celina Mikolajczak）今年3月在一场国际性电池会议中承认：“我们需要的电池仍不存在。”理由很简单，因为飞行需要考虑电池重量，而锂离子电池实在太重。特斯拉电动车Model S的100千瓦特小时电池重达540公斤，但一架使用内燃机的双座位飞机可轻至640公斤，故一众飞天车现时只能把航程限制在30分钟或约300公里内。
更麻烦的是，飞行规管要求飞机有足够的后备燃料。斯洛伐克初创公司Aeromobil的飞天车选择燃烧汽油，其首席工程师宾特利（Simon Bendrey）解释：“现时需要足够应付30分钟的额外燃料，若飞20分钟，就要预备50分钟的燃料，对电池容量的要求将会增加一倍有多。”此外，这些电动飞天车现时设计为充电需时25分钟至数小时不等，若要推出像Uber计划般那种的士服务，等它充电的时间随时长过飞行所需时间。
上述种种问题使现有的锂离子电池逐渐走到尽头，难以应付未来的科技潮流。科学界、业界、初创公司等各有进路，针对不同元件，以不同新材料来彻底改造锂离子电池。 详见另文：《【科技．未来】锂离子电池见末路 新电池开发竞赛展开》。
上文节录自第123期《香港01》周报（2018年8月6日）《锂离子电池陷瓶颈 难撑起5G飞天车 是时候换电了》。