• 宇宙迷宮|電池知多少?(李偉才)

  • 發布日期:2021-03-13 10:00
  • 宇宙迷宮|電池知多少?(李偉才)

 

電能是現代文明的基石。沒有了電力,支撐著社會運行的絕大部分機器將會停頓下來。沒有了電燈、電視、電冰箱、電梯等還罷了,供水系統沒有了電力將無法運作,我們賴以維生的淡水供應也將成為問題。

相信大家都聽過「濕電」和「乾電」等俗稱。前者指由發電廠輸送到我們家中(及工廠和辦公室中)的「市電」(mains supply);而後者則指由可以儲存電能的「電池」(battery)所發出的電力。在過往,對於主要用於電筒和便攜式收音機的輕巧電池(今天則主要限於遙控器),香港人俗稱為「電芯」或「筆芯電」。

較「筆芯電」大得多(因此儲電量也大得多)的,是汽車中的電池。在傳統的汽油車(gasoline cars)裡,這個電池只是用於發動引掣和車內的用電設備(電動窗、照明、收音機等),但踏進廿一世紀以來,電池已經在「電動車」(electric vehicles,簡稱EV)中肩負起推動著整部車的責任。

大家都知電池有分正、負兩極,它們是由兩種具有不同「放電傾向」的物質組成的(例如碳和鋅)。在電池內,兩種物質由一種電解質溶液(electrolyte)分隔而沒有直接接觸。但假如我們把外露的正、負極以電線連接起來,「放電傾向」的差異(術語稱「電位差」,electric potential)便會導致電流的產生。

電池大致可以分為「一次性電池」(primary cell)和「可再充電電池」(rechargeable battery)兩大類。早期的「碳鋅電池」(zinc-carbon battery)、後來電力較強的鹼性電池(alkaline battery)如「碳錳電池」(magnesium-carbon battery),以及儲電量更高(自然也更昂貴)的「鋰電池」(lithium battery)等都屬這類。這些用完即棄的電池自是極不環保。還有必須留意的是,鹼性電池存放過久會漏出有害的腐蝕性液體,較為年長的讀者都可能身受其害。

我說「較年長」是因為對於年輕一輩,「可再充電電芯」已經成為了常規而非例外。無論是手機、手提電腦或是相機,所用的電池都可重複充電。但這種重複不是無限的。可能大家都有過經驗,手機或筆記本電腦之要更換,不是機器本身壞了,而是電池「報銷」了。

汽車電池屬「可再充電」類別,最早期的是「鉛酸蓄電池」(lead-acid battery)。但由於它太笨重,人們後來發明了更輕便的「鎳鎘電池」(nickel-cadmium battery,簡稱 NiCd)。這種電池的一大缺點是「記憶效應」(memory effect),即如果未有完全放電而再充電,會減低電池的壽命。正因這樣,它已逐步被重量輕、容量大和沒有記憶效應的「鋰離子電池」(Lithium-ion battery)所取代。

上文提及的電動車主要用的便是鋰離子電池,當然,不同的廠商會對電池作出不同的改良以提升它的表現。

要對抗全球暖化危機,盡快以可再生能源取代化石燃料是當務之急。但眾所周知,可再生能源 — 無論是太陽能還是風能 — 的最大缺點是它的「間歇性」(intermittency),所以高效率的大型電力儲存設施是成敗的關鍵。近年來,電池科技已經成為了一項最熱門的研究課題,石墨烯電池(graphene-based battery)相信會是未來寵兒之一。

大家可能沒有想過,家中那卑微的「筆芯電」,背後的原理與人類未來的生死存亡是如此息息相關的呢!

李偉才

科普達人

圖片來源: Freepik
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