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第253話:電池重量,ZERO?

閱讀時間約 4 分鐘
­汽油車要跑得遠,油相要大顆;電動車要跑得遠,電池要大顆。
這不是廢話嗎?沒錯,不過電池一大顆,體積變大、重量變重,車子也需要變得更大更重,於是耗電又變更快,搞不好一來一往,裝了大顆電池以後,續航力反而變小。
有了新的電池技術,拔掉插頭的EVA應該也能撐久一點(來源:庵野秀明/GAINAX)
不過免驚!今天要介紹的是「重量=0」的電池!
喂喂喂,我們可是物理系的網站,講這種顯然違反物理定律的話可以嗎?
其實,並沒有違反物理定律喔!那是怎麼做到的?
我們要製造一輛車,它的殼,也就是車體結構一定要夠堅固,才可能通過各種安全標準,然後在這個殼裡面裝上電池馬達(電動車的話)以及各種機械與電子設備,讓這輛車能夠在人(或者是AI)的控制下行動,到達我們想要到的地方。所以這輛車的重量就是上述所有的東西加起來,對了還要加上坐在上面的人的體重;而它用來移動的能量來源,就藏在那顆電池裡。
電池的材料與設計,當然就是要儲存電能,盡可能要提高「能量密度」:也就是「電池每公斤的重量能夠儲存的電能」,單位是「Wh/kg」,也就是「瓦×小時/公斤」。目前車用鋰電池,能量密度大約為 250 Wh/kg 上下,就是一公斤重的電池,可以儲存 900,000 焦耳的電能。而汽油的能量密度大約在每公斤 47,000,000焦耳,相差幾乎 50 倍,雖然電動車的能源轉換效率比汽油車的引擎來得高,不過還是很難弭平這個落差。因此找到能量密度更高、而且安全的材料來製造車用電池,是當務之急。
不過如果跳脫「要存很多電就要放一顆超大電池」的想法,改成「做車殼的材料能不能也拿來充電?」的話,那就「車殼即電池、電池即車殼」,不必為了提供電能而增加車子的重量,因為只要把電能充進本來就必要的汽車結構就行了。所以其實不是「重量為零的電池」,而是「為了放電池所增加的汽車重量為零」。
這種概念,稱為「結構電池」(structural battery)。其實這不是什麼新概念,從 2007 年就有人開始研究了。其中有個「系出名門」的車種,由 MIT 跟藍寶堅尼聯手打造的電動概念車Terzo Millennio,就是把電源(它用的是超級電容器而不是電池)跟輪胎整合在一起。
MIT與藍寶堅尼聯手打造的概念車Terzo Millennio,也是利用了「結構電池」的概念(來源:維基百科)
瑞典 Chalmers 科技大學的Leif Asp教授團隊開發了一種新的結構電池,是利用碳纖維作為負極,以及表層包覆磷酸鋰鐵的鋁箔作為正極,中間以玻璃纖維絕緣,可以達到 24 Wh/kg 的能量密度,當然還是比現有的電池低滿多的,不過這個電池的材料強度可以達到 25 GPa,已經可以跟一般的建築材料匹敵。
瑞典Chalmers 科技大學開發的結構電池(來源:Chalmers University of Technology)
Asp教授仍在持續改進這個電池的設計,他預期應該可以達到75 Wh/kg 的能量密度以及 75 GPa 的強度,可以作為車體結構一部份的「零重量電池」,甚至是「重量為負的電池」,因為這種材料比現有的鋼材更輕。其實要是電還是不夠用的話,既然重量已經減輕了,就再塞一顆「不是那麼大」的傳統電池,好像也是可以接受的喔!
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Advanced Energy and Sustainability Research論文(2021/01/27):https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aesr.202000093
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