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文／林志鴻

●碳 生化科技重要角色 矽 半導體業不可或缺

介紹週期表時，我總會告訴孩子們，什麼是族、什麼是週期，在週期表上面代表的涵義是什麼。慢慢讓孩子形成概念：同一族的元素，具有相似的化學性質；不同族的元素，性質相差很大。好像同一家人有相同的DNA，脾氣性格很接近；不同家族的人，差異性就很大。

一開始若擺出完整週期表，會嚇到同學，所以我會稍作簡化，把元素週期表的B族拿掉留下A族，再把A族拼起來，如右下圖。先看A族的元素，最左邊的是鈍氣，活性最小、最安定的元素：氦、氖、氬、氪、氙、氡。

圈起來的4A族，前兩個碳和矽已經引領風騷超過一百年了。

碳是有機化合物的骨架，是生化科技、材料科學裡的重要角色；矽是半導體工業不可缺少的元素。這個家族已經興盛百年以上，但逐漸顯露衰敗，尤其是碳，成了全球暖化的頭號公敵。雖然矽元素領導的半導體電子工業方興未艾，它的發展似乎也到了瓶頸，必須投入大量人力物力，才能取得微小的進步。

●氫與鋰 21世紀顯身手 氫電池 馬斯克不看好

21世紀逐漸展露頭角的家族是1A族，其中當紅的是氫和鋰，兩者都和減少碳排放量的電池科技很有關係。下面這篇報導提到特斯拉執行長馬斯克著重在鋰電池的發展，不看好氫燃料電池，認為氫燃料電池是傻瓜銷售（fuel cells = fool sells），一竿子打翻豐田（TOYOTA）長期經營的這條船，讓混合動力的中、大型卡車前景堪虞。

特斯拉CEO馬斯克曾推文表示，「燃料電池=傻瓜銷售」（fuel cells=fool sells），並再補一刀指出：「氫燃料由傻瓜銷售毫無意義」。他對氫在向永續能源未來轉型中作用的懷疑，並將其描述為「我所能想像到的最愚蠢的儲能方式」。

豐田長期以來一直在強調氫燃料電池車（FCEV）在其未來產品線中的角色，暗示有一天它們可能會像現在的混合動力車一樣無處不在。但隨著該公司將重心轉向電動車（EV），燃料電池的重點移至中型和重型卡車，願景似乎已破滅。

──張大仁〈氫能車競爭不過電動車 為何BMW集團仍不斷開發？〉‧聯合報數位版

●生物電 最早的電池概念 伏打堆 史上第一個電池

其實電池的概念最早是賈法尼提出的生物電。他原先的想法是動物的肌肉裡充滿了電流，只要導通形成迴路，就可以讓剛截肢下來的青蛙腿顫動起來。

賈法尼的做法是將青蛙腿截肢後放在鐵盤上，再用手術刀將青蛙腿露出來的神經和鐵盤接觸而形成迴路，使得青蛙腿顫動起來。

但伏打並不這樣認為，他重複了賈法尼的實驗，卻無法讓青蛙腿顫動起來，伏打仔細檢查兩套實驗裝置的差異，他懷疑是賈法尼的手術刀有問題。因為伏打使用的是鐵製手術刀，而賈法尼用的是銅製解剖刀，所以伏打認為刺激青蛙腿肌肉的電流來自外界，因為不同金屬接觸而產生瞬間電流，根本不是生物體內自帶電流，沒有生物電這一回事。

好在伏打是正確的，否則，現代我們使用的電池都變成一支支不同動物的腿，那還得了？

伏打為了證明自己的說法，做出了科學史上第一個電池：伏打堆。

雖然伏打電池已經是兩百多年前的產物，但現代使用的電池原理大致與之相似，可以當作同學認識電池原理的啟蒙。伏打電池主要靠正、負極金屬的活性差異來驅使電子從負極流到正極，藉由電解質溶液正、負離子來解決電荷累積的問題，讓電子不斷由負極流到正極來產生電流。

●光靠電池 暖化仍無解 多用綠能 可降低碳排

燒煤、天然氣來發電，基本上是利用氧化還原反應產生熱量來發電，稱為火力發電，會產生可觀的二氧化碳及空氣汙染的產物，造成全球暖化。

電池放電也是氧化還原反應，但不會產生二氧化碳，所以就不會造成全球暖化嗎？話可不能說得太早，因為電池需要充電，如果使用火力發電廠的電來充電，並沒有解決碳排放問題，只是把問題轉移到火力發電廠，並沒有真正解決碳排的問題；另外，開採電池所需的金屬礦物，製造電池的過程也可能產生可觀的碳足跡。

所以光靠電池的發展無法完全解決全球暖化的問題，最主要的根源還是在於發電廠的發電方式，如果我們大量使用綠能：太陽能、水力、風力、潮汐、地熱來發電，就能降低碳排。雖然綠能（綠色能源）被視為相對環保和可再生的能源來源，但它仍然有一些缺點需要考慮，包括：

①不穩定的能源供應：太陽能和風能受到天氣和季節變化的影響，導致能源供應的不穩定性，可能需要其他能源來源來補充。

②能源轉換成本高：建造和維護發電設施的成本相對較高。此外，能源轉換（例如太陽能電池板和風力發電機的製造）也涉及某些環境和能源成本。

③儲能挑戰：儲能是一個關鍵問題，因為太陽和風的可用性可能與實際能源需求不匹配。目前的儲能技術（如電池技術）仍有待提高，以應對間歇性能源供應的挑戰。

④空間需求：部署大規模太陽能和風能發電設施需要大量土地或海域，這可能對生態系統和土地使用產生影響，也可能引發地方社區的反對。

⑤資源需求：製造太陽能電池板和風力發電機需要一定的原材料，包括稀有金屬和其他資源。這可能導致資源供應的問題，並可能對環境產生一些影響。

⑥生命週期排放：雖然綠能本身是清潔的，但製造、運輸、安裝和維護相關設備的過程可能涉及能源消耗和溫室氣體排放。這些被稱為生命週期排放，需要綜合考慮。

●實現碳中和 達到淨零排放

目前我們只能盡力設法達到淨零排放，淨零排放的目標是實現碳中和，即碳排放等於碳吸實現，淨零排放通常包括幾個步驟：

①減少排放：可以透過提高能源效率、使用清潔能源、改進工業流程等方式實現。

②吸收碳：透過森林、森林管理和碳捕獲技術等方法來增加大氣中的碳吸收量。

③抵消排放：如果無法完全減少排放，那麼可以考慮買碳抵消，這意味著投資於碳捕獲項目或其他環保計畫，以抵消碳排放。

淨零排放是全球氣候行動的一個關鍵目標，許多國家和組織都已經承諾在未來幾十年內實現淨零排放，以應對氣候變化的威脅。這需要政府、企業和個人的共同努力，以實現可持續發展同時保護地球環境。

根據台大地質科學系退休教授魏國彥投書媒體的數據顯示：

根據國際能源總署（IEA）最新估計，如欲管制全球暖化升溫幅度在2℃之內，全球金屬礦藏的供應在2040年之前勢將增加4倍；因為深度減碳不只要減少化石能源（煤炭、石油、天然氣）使用，更意味著要開發許多金屬礦，來建造風力發電機、光能電板、電動車，以及大量的儲能設備。電動車的核心設備也是電池，製造電池需要石墨、鎳、鈷、鋰、錳；離岸風力發電另外還需要鋅、鉻，而所有的電氣設備都需要銅。林林總總的礦物需求與能源轉型綁在一起，構成了所謂「能源—礦物樞紐」（Energy-Mineral/Material Nexus，簡稱EMNs）。

為了達到聯合國所要求的「永續發展」，2040年之前下列礦物相對於2020年的供應量：鋰增加42倍；石墨、鈷、鎳增加19到25倍；稀土7倍；銅、鐵增加約3倍。

──魏國彥〈淨零排放繫於「能源—礦物樞紐」〉‧聯合報A11民意論壇

看到這裡，令人體會週期表裡各大家族人才盡出，就像水滸傳裡的108條好漢，即將現世。

原文出自《好讀周報》747期