第九章 為世界灌注能量
乍看之下，人們可能會猜想20世紀工業巨頭湯瑪斯?愛迪生（Thomas Edison）和亨利?福特（Henry Ford）會是死對頭。畢竟，愛迪生是孜孜不倦推動工業和社會電氣化的驅動力量。擁有1,093項專利的他，以許許多多如今我們視之為理所當然的眾多發明，徹底改變了我們的生活方式，而這些發明都以電力推動。相形之下，福特則是靠以化石燃料為動力的T型車賺進了數百萬美元。他幫助建立了現代以石油為本的工業基礎設施。在他看來，燃燒石油和汽油將會驅動未來。
事實上，愛迪生和福特是好朋友。事實上，年輕時的福特崇拜愛迪生。隨後多年期間，他們還會一起度假，享受彼此的陪伴。他們之所以變得這麼親密，或許是由於他們都憑藉堅強的意志創建了世界級的公司。
愛迪生和福特會藉由打賭來消磨時間，下注賭哪種能源會驅動未來。愛迪生看好電池，而福特則相信汽油。就任何聽到這場賭注的人看來，這是一件毫無懸念的事情。人們肯定會歸結認定愛迪生能輕易獲勝。電池安靜又安全。相形之下，石油很吵鬧、有毒，甚至很危險。每隔幾個街區就設一處加油站的想法根本荒誕不經。
在許多方面，石油的批評者都是正確的。內燃機排放的廢氣會引發呼吸系統疾病並加速全球暖化，而且汽油動力的汽車依然很吵。
然而最終贏得賭注的卻是福特。
為什麼這樣呢？
首先，電池儲存的能量只是每加侖汽油儲存能量的一小部分。（最好的電池每公斤可以儲存約兩百瓦特小時的能量，而汽油則能儲存一萬兩千瓦特小時。）當中東、德克薩斯州和其他地方發現龐大油田時，汽油的價格隨之暴跌，於是汽車也變得連普通美國工人也買得起。
人們開始忘記愛迪生的夢想。效率低落、笨重又動力不足的電池，競爭不過針對渴求能量的民眾而設計的高辛烷值廉價燃料。
由於摩爾定律以廉價的電腦運算能力革新了世界經濟，因此我們往往傾向於假定一切都遵循這條定律。於是當我們見到電池動力效率落後了幾十年，心中不免要感到困惑。我們忘記了摩爾定律只適用於電腦晶片，而類似為電池提供動力的那些化學反應，卻是出了名的難以預測。針對能提增電池效率的新化學反應提出預測是一項重大挑戰。
未來，與其辛勤地測試數百種不同化學物質在電池中的表現，倒不如以量子電腦來模擬它們的性能，這種做法會遠更迅速又廉價。就像有可能幫助披露光合作用或自然固氮作用祕密的模擬做法，或許「虛擬化學」有一天也可能會取代化學實驗室中的艱苦嘗試錯誤。
太陽能革命？
提高電池性能的挑戰蘊含了巨大的經濟影響。早在1950年代，未來學家就宣稱，我們的住家有一天會由陽光供電。遼闊的太陽能電池陣列，輔以強大的風力發電機，將捕捉太陽和風的能量，提供廉價、可靠的能源。免費的能源，那是當時的夢想。
然而，現實卻展現了不同的風貌。過去幾十年間，可再生能源的成本確實下降了，然而速率卻是緩慢得令人心焦。太陽能時代的到來，始終比大家的預期都更緩慢。
部分問題在於現代電池的限制。當太陽不照耀，風也不吹時，可再生能源的電力就會降到零。可再生能源鏈鎖中的薄弱環節是儲存--如何儲存能量以備不時之需。儘管隨著我們系統性地將矽晶片微型化，電腦的速度便呈指數增長，但電池電力的增長，只在我們發現新的效率或甚至新的化合物之時才會發生。目前，電池仍然使用上個世紀已知的化學反應。如果能製造出具有更高效率和功率的超級電池，也就可能大大加速轉型程序，踏向無碳能源未來並遏制全球暖化。
電池的歷史
回顧過去，我們會發現電池的歷史在幾個世紀期間以極其緩慢的龜速進展。在遠古時代，人們早已熟知，如果走過地毯，觸摸門把時就可能受到電擊。但這只是個有趣現象，直到1786年，歷史才被改寫。當時物理學家路易吉?伽伐尼（Luigi Galvani）用一塊金屬摩擦青蛙的斷腿，結果他驚訝地發現，青蛙腿會自行抽動。
這是個關鍵性的發現，因為科學家現在就可以證明，電力可以驅動我們的肌肉運動。科學家瞬間意識到，我們不必訴諸什麼神祕的「生命力」，就能解釋無生命物體如何變得有生命。電力是理解我們的身體如何在沒有靈魂的情況下運動的關鍵。但是，這些在電力方面的突破性研究，也激發了他的一位勇敢的同事。
1799年，亞歷山卓?伏打（Alessandro Volta）製造了第一種電池，並展示了他能創造出一種化學反應來重現這種作用。在實驗室內按需求創造出電力是一項轟動的發現。消息迅速傳開，宣揚現在可以隨心所欲產生出這種奇特的動力。
然而，令人遺憾的是，兩百多年來，電池幾乎都沒有太大改變。最簡單的電池由兩根金屬棒或電極組成，兩個電極分別置放於分開的杯中。在這兩個杯子中，裝有一種稱為電解質的化學物質，這種物質讓化學反應得以發生。兩個杯子由一根管子相連，離子可以沿著管子從一個杯子流向另一個。
由於電解質中的化學反應，電子從一個稱為陽極的電極流出，並轉移到另一個稱為陰極的電極。電荷的運動需要平衡，所以當帶負電的電子從陽極流向陰極時，正電荷的離子也會沿著電解質連接管移動。這些電荷的流動便產生了電力。
這種基本設計幾個世紀以來都沒有改變。改變的主要是種種不同組件的化學成分。化學家不厭其煩地實驗不同的金屬和電解質，好讓電壓最大化或提增其能量含量。
由於普遍認為電動車沒有什麼市場，也就沒有什麼改進這項技術的壓力。
鋰電池革命
在戰後時代，電池技術是個相對被忽視的領域。由於對電動車和便攜式電子設備的需求相對較少，進展停滯不前。然而，對於全球暖化的關注提高和電子市場的爆炸性增長，引燃了電池技術的新研究。
由於汙染和全球暖化的威脅，民眾要求採取行動。隨著對汽車行業轉向電動車的壓力增加，發明家急切地研發更強大的電池。電池逐漸能夠與汽油競爭。
其中一個成功的故事是鋰離子電池的問世，它在市場上掀起一股熱潮。鋰離子電池見於幾乎一切型式的電子設備，包括手機、電腦，甚至大型噴射客機都有。它們之所以如此普及，是由於它們擁有所有可用電池當中最高的能量容量，卻又輕便、緻密、可靠並且效能很高。這是數十年研究的成果，經過艱苦分析了數百種不同的化學物質來了解其電氣特性。
鋰離子電池的便利性來自於鋰原子的特性。
乍看之下，人們可能會猜想20世紀工業巨頭湯瑪斯?愛迪生（Thomas Edison）和亨利?福特（Henry Ford）會是死對頭。畢竟，愛迪生是孜孜不倦推動工業和社會電氣化的驅動力量。擁有1,093項專利的他，以許許多多如今我們視之為理所當然的眾多發明，徹底改變了我們的生活方式，而這些發明都以電力推動。相形之下，福特則是靠以化石燃料為動力的T型車賺進了數百萬美元。他幫助建立了現代以石油為本的工業基礎設施。在他看來，燃燒石油和汽油將會驅動未來。
事實上，愛迪生和福特是好朋友。事實上，年輕時的福特崇拜愛迪生。隨後多年期間，他們還會一起度假，享受彼此的陪伴。他們之所以變得這麼親密，或許是由於他們都憑藉堅強的意志創建了世界級的公司。
愛迪生和福特會藉由打賭來消磨時間，下注賭哪種能源會驅動未來。愛迪生看好電池，而福特則相信汽油。就任何聽到這場賭注的人看來，這是一件毫無懸念的事情。人們肯定會歸結認定愛迪生能輕易獲勝。電池安靜又安全。相形之下，石油很吵鬧、有毒，甚至很危險。每隔幾個街區就設一處加油站的想法根本荒誕不經。
在許多方面，石油的批評者都是正確的。內燃機排放的廢氣會引發呼吸系統疾病並加速全球暖化，而且汽油動力的汽車依然很吵。
然而最終贏得賭注的卻是福特。
為什麼這樣呢？
首先，電池儲存的能量只是每加侖汽油儲存能量的一小部分。（最好的電池每公斤可以儲存約兩百瓦特小時的能量，而汽油則能儲存一萬兩千瓦特小時。）當中東、德克薩斯州和其他地方發現龐大油田時，汽油的價格隨之暴跌，於是汽車也變得連普通美國工人也買得起。
人們開始忘記愛迪生的夢想。效率低落、笨重又動力不足的電池，競爭不過針對渴求能量的民眾而設計的高辛烷值廉價燃料。
由於摩爾定律以廉價的電腦運算能力革新了世界經濟，因此我們往往傾向於假定一切都遵循這條定律。於是當我們見到電池動力效率落後了幾十年，心中不免要感到困惑。我們忘記了摩爾定律只適用於電腦晶片，而類似為電池提供動力的那些化學反應，卻是出了名的難以預測。針對能提增電池效率的新化學反應提出預測是一項重大挑戰。
未來，與其辛勤地測試數百種不同化學物質在電池中的表現，倒不如以量子電腦來模擬它們的性能，這種做法會遠更迅速又廉價。就像有可能幫助披露光合作用或自然固氮作用祕密的模擬做法，或許「虛擬化學」有一天也可能會取代化學實驗室中的艱苦嘗試錯誤。
太陽能革命？
提高電池性能的挑戰蘊含了巨大的經濟影響。早在1950年代，未來學家就宣稱，我們的住家有一天會由陽光供電。遼闊的太陽能電池陣列，輔以強大的風力發電機，將捕捉太陽和風的能量，提供廉價、可靠的能源。免費的能源，那是當時的夢想。
然而，現實卻展現了不同的風貌。過去幾十年間，可再生能源的成本確實下降了，然而速率卻是緩慢得令人心焦。太陽能時代的到來，始終比大家的預期都更緩慢。
部分問題在於現代電池的限制。當太陽不照耀，風也不吹時，可再生能源的電力就會降到零。可再生能源鏈鎖中的薄弱環節是儲存--如何儲存能量以備不時之需。儘管隨著我們系統性地將矽晶片微型化，電腦的速度便呈指數增長，但電池電力的增長，只在我們發現新的效率或甚至新的化合物之時才會發生。目前，電池仍然使用上個世紀已知的化學反應。如果能製造出具有更高效率和功率的超級電池，也就可能大大加速轉型程序，踏向無碳能源未來並遏制全球暖化。
電池的歷史
回顧過去，我們會發現電池的歷史在幾個世紀期間以極其緩慢的龜速進展。在遠古時代，人們早已熟知，如果走過地毯，觸摸門把時就可能受到電擊。但這只是個有趣現象，直到1786年，歷史才被改寫。當時物理學家路易吉?伽伐尼（Luigi Galvani）用一塊金屬摩擦青蛙的斷腿，結果他驚訝地發現，青蛙腿會自行抽動。
這是個關鍵性的發現，因為科學家現在就可以證明，電力可以驅動我們的肌肉運動。科學家瞬間意識到，我們不必訴諸什麼神祕的「生命力」，就能解釋無生命物體如何變得有生命。電力是理解我們的身體如何在沒有靈魂的情況下運動的關鍵。但是，這些在電力方面的突破性研究，也激發了他的一位勇敢的同事。
1799年，亞歷山卓?伏打（Alessandro Volta）製造了第一種電池，並展示了他能創造出一種化學反應來重現這種作用。在實驗室內按需求創造出電力是一項轟動的發現。消息迅速傳開，宣揚現在可以隨心所欲產生出這種奇特的動力。
然而，令人遺憾的是，兩百多年來，電池幾乎都沒有太大改變。最簡單的電池由兩根金屬棒或電極組成，兩個電極分別置放於分開的杯中。在這兩個杯子中，裝有一種稱為電解質的化學物質，這種物質讓化學反應得以發生。兩個杯子由一根管子相連，離子可以沿著管子從一個杯子流向另一個。
由於電解質中的化學反應，電子從一個稱為陽極的電極流出，並轉移到另一個稱為陰極的電極。電荷的運動需要平衡，所以當帶負電的電子從陽極流向陰極時，正電荷的離子也會沿著電解質連接管移動。這些電荷的流動便產生了電力。
這種基本設計幾個世紀以來都沒有改變。改變的主要是種種不同組件的化學成分。化學家不厭其煩地實驗不同的金屬和電解質，好讓電壓最大化或提增其能量含量。
由於普遍認為電動車沒有什麼市場，也就沒有什麼改進這項技術的壓力。
鋰電池革命
在戰後時代，電池技術是個相對被忽視的領域。由於對電動車和便攜式電子設備的需求相對較少，進展停滯不前。然而，對於全球暖化的關注提高和電子市場的爆炸性增長，引燃了電池技術的新研究。
由於汙染和全球暖化的威脅，民眾要求採取行動。隨著對汽車行業轉向電動車的壓力增加，發明家急切地研發更強大的電池。電池逐漸能夠與汽油競爭。
其中一個成功的故事是鋰離子電池的問世，它在市場上掀起一股熱潮。鋰離子電池見於幾乎一切型式的電子設備，包括手機、電腦，甚至大型噴射客機都有。它們之所以如此普及，是由於它們擁有所有可用電池當中最高的能量容量，卻又輕便、緻密、可靠並且效能很高。這是數十年研究的成果，經過艱苦分析了數百種不同的化學物質來了解其電氣特性。
鋰離子電池的便利性來自於鋰原子的特性。
