電動車電池（一）：材料演變與應用型態

電池是將電能或其他能量先轉化成化學能用以儲存能量，使用時再將所儲存化學能轉化成電能的電化學（electrochemistry）機構。

電池的主要結構有3個部分：負極（anode）、正極（cathode）以及電解液（electrolyte）。電解液的功能是分隔負極與正極，並讓帶有電荷的電子和離子於負極與正極之間穿梭流動。

電池自問世至今已超過160年，其樣態歷經過4種主要的材料：鉛酸（lead acid）、鎳氫（Nickel Metal Hydride；NiMH）、斑馬（ZEBRA，Zero Emission Battery Research Activity；NaNiCl2，主要成分是鈉、鎳、氯）以及鋰離子（lithium ion）電池。

鉛酸電池現在還在服役，就是常見的汽車用以點火啟動電池。但是我們要談的電動車電池（Electric Vehicle Battery；EVB）是牽引（traction）用的，基本上是輸出力、驅動馬達、拉動電動車，與點火用電池的結構和設計略有不同。

鋰離子電池的大量應用則自然是從手機的行動應用開始，主要考量當然是其輕盈可攜，之後這個好處就自然的被引入電動車電池的應用。

從這電池系列的演化軌跡，我們發現了一個有趣的趨勢。如果把各種電池主要的金屬材料的原子序標出的話，依序是82、28、11、3。這代表整個產業對電池金屬材料的演化是一心一意朝向輕盈的方向邁進。

事實上，鋰已經是最輕的金屬，比它輕的元素只有氫和氦，全是氣體，也不是金屬，無法當成電極來導電。

一個完整的電動車電池由幾千個電池單元（cell）組成。先是由3、4百個電池單元串聯和並聯的方式組成1個電池模組（module），十幾個模組再組成1個電池組（pack）。以Tesla Model 3為例，其電池組就由7、8,000個單元組成。

每個模組中有冷卻機制（cooling mechanism），並且用電池管理系統（Battery Management System；BMS）監控電池的健康狀況（State Of Health；SOH）：包括溫度和電壓等，以維持電池在安全的參數區間內工作，並監控充電狀況（State Of Charge；SOC）。一旦電池的溫、壓異常，電池上的保險絲會熔斷，以維護系統安全。通常電壓異常和保險絲熔斷是電池需要更換的2個主要原因。

評估電動車電池對應用的妥適性時，有6個重要的指標：比能量（specific energy）、比功率（specific power）、生命週期（life span）、性能（performance）、安全性（safety）與成本（cost）。

這裡的比能量指的是每公斤電池能儲存多少的能量；比功率是電池在每單位時間內能輸出多少能量。前者牽涉到電動車能走多遠，而後者則關於電動車能跑多快。生命週期指電池能充放電的次數，佐以電動車平均使用頻率，也可以粗估電池使用年限。安全性的考慮主要是在高熱、升溫的環境下，或者電池遭撞擊、刺穿的狀況下，鋰離子電池容易燃燒、爆炸。性能的考量較多樣，包括充電速度、低溫使用等特性。成本毋庸說明，目前鋰離子電池在量產日增的條件下，價格快速下降。但是未來勢必面對臨鋰礦逐漸枯竭的狀況，成本進一步繼續下降面臨挑戰。

比能量是電動車能上路的基本考量，這決定一定重量的電池能讓電動車行走多遠？這是每一部能上路的電動車都要掛心的事，反過來這又決定1部電動車需要攜帶多少重量的電池？如果電池重量本身佔整部電動車重量的比例過高，能搭載的重量就很受限，畢竟電池的能量很大一部分是用來攜帶電池本身的重量。目前鋰離子電池的比能量約在120~180 Wh/kg之間，這是所有型態電池目前所能達到最好的數值。

這6個因素在不同應用時需要針對應用均衡的考慮。目前對電動車電池應用工程實務的做法是稍微妥協比能量和比功率（因為稍有餘裕），以換取較快的充電速度、較長的生命週期以及較高的安全性。

將鋰離子電池應用於電動車上的表現如何呢？目前進展狀況是，以Tesla Model 3為例，一部1.5噸的電動車攜帶400kg的電池大約可行駛400公里以上，30分鐘內可以充滿80%以上的電能，但是電池重量大約佔電動車總重量的3分之1！而上述的車行距離、電池重量、充電速度等資料，只能說是堪稱勉強滿足需求。

鋰已經是原子序最小的金屬，輕無可輕。因此如何改進電池中的其他材料，譬如電極材料、電解液、催化劑等成分，以及電池的結構和控制等因素，以提高電池儲存電力、電化學能轉換效率，是目前電池研發重點。