電動車用之高性能電池──未來之瞻望


1980年10月130期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1980、10 ＃期號：0130 ＃專欄：＃標題：電動車用之高性能電池──未來之瞻望＃作者：萬其超．較具潛力之電池系統．其他電池系統．風險與成果之關係．表一：有待克服之技術瓶頸。．表二：電池之相對需求程度表。 a：在80％放電深度。 b：本值僅代表使用貝氏偵測方法所得關於各電池使用於電動車之綜合評估。（括弧代表數字不確定）．圖一：通用電氣公司裝上鉛酸電池之四人座客車。其設計為市內使用，行程約45哩。．圖二：用於圖一之改良式鉛酸電池。極片（1）具輻射狀格子體（2）。隔離片（3）與活性物質（4）均為特殊研製。．圖三：鈉硫電池外觀圖（福特公司提供）。．圖四：電池之需求程度與技術困難程度關係圖（係按照貝氏偵測方法所得）。		電動車用之高性能電池 ──未來之瞻望今日能源危機中，我們所面臨的最迫切的一項問題是用於交通上之液體燃料的短缺。這個問題可經由設計更省油的汽車，減少不必要之旅行，自煤、油頁岩等來合成或者抽取液體燃料等手段，以減輕一部分壓力。另一解救途徑則為推廣電動車的使用。此因發電廠之能源可來自許多種形式，並不限於石油，而這許多種能源在短期中不虞匱乏。若將汽車換成電動車，可以減少對高級液體燃料之依賴。今後十年中，由於（美國）政府與工業界對電動車研究工作之大力支持，電動車的性能可能會有長足之進步。這些改良後之電動車將具有輕巧之機件，高效率之馬達與控制系統，以及流線型的車身以減少阻力。最後電動車成敗的關鍵，將在於能否大量生產出一種在性能上、強度上與價格上皆合理之電池。較具潛力之電池系統電動車市場在未來可能佔有之美景，誘導出一系列高性能電池研究發展之競賽，世界各地的研究單位都致力於電池技術之改良。最近通用汽車公司與福特汽車公司宣布，將在80年代中期進入電動車市場，即為此類發展成果之明證。理論上有三十多種電化學系統可應用於電動車。其中許多種考慮到製作材料之成本與供應即可以立即予以放棄，剩下之十多種各具優點及缺點，只有少數幾種已經發展到估計在西元2000年以前可能會大量使用。在近程計畫中最有希望的是 ‧鉛酸電池 ‧鎳鋅電池 ‧鎳鐵電池上述系統有的已經使用，有的接近商業化。而在中程計畫中，也就是尚需作許多改進的是 ‧鋰金屬硫化物電池（lithium-metal sulfide） ‧鋅氯電池 ‧鈉硫電池這些中程電池之性能，理論上優於那些近程電池。所以預計經過一段較長之研究發展工作，也許會在電動車發展的中期大派用場。鉛酸電池鉛酸電池為最常用之蓄電池。它是將正負極浸於硫酸電解液中。當電池充飽電時，正極的活性物質是二氧化鉛，而負極活性物質是鉛。當它放電時，兩種活性物質經由下述反應轉變成硫酸鉛：正極【瀏覽原件】負極【瀏覽原件】因此電池之總反應是【瀏覽原件】充放電過程中，由於鉛、二氧化鉛、硫酸鉛皆難溶於硫酸溶液，因此電極片維持固體狀態。鉛酸電池極片之製作有兩種：一種是平板塗膏式，另一種是管狀填充式。平板電極是將膏狀之活性物質塗於一張鉛合金之骨架（格子體）上，而管狀電極是將活性物質填塞入一根根以玻璃纖維布織成之圓筒中。後者之容積能量密度略高，但是製作費事成本高，大多數之鉛酸電池皆用平板極片。目前的研究工作朝向兩方面：一方面是改進現有之鉛酸電池，另一方面是發展全新之高性能鉛酸電池，其性能高於現有者50％以上，兩方面之工作有相當差距。改良現有鉛酸電池之目標，是預期在一兩年之內將其重量能量密度（gravimetric energy density, or specific energy）提高至40～50瓦．時／公斤（Wh/kg），而充放電壽命延長至500～800次。即使達成這些目標，所發展成功之電池性能仍然不能充分滿足電動車之需求。如果用於車上，則一次充電之行程相當有限。當然可以在車上多裝載些電池以增加一部分行程，但是車上之電池越多越重，則電池內之電能就有愈多是用於推動電池本身。這在節省能源的觀點上是不利的，何況一大套電池也是相當昂貴的。這類改良電池之尖峰功率（peak power）也不理想，尤其是到了放電末期和在低溫狀態使用，就大大地限制了車子的加速度。此外，它們的體積也嫌龐大〔低於100瓦．時／升（Wh/1）〕。不過這類電池可使用現成之工廠設備來生產，也是在1982年以前唯一成本低於100美元／瓩．時（$100/kWh）者。如果鉛價維持穩定，預期成本可以降至45美元／瓩．時。當然近年來對於鉛酸電池生產所牽涉之環境污染和安全問題日益重視，這方面的加強管制也可能使成本上升。到目前為止，鉛酸電池是唯一能用於任何電動車之電池。如果行程限於100哩（160公里）以內，則它們還是有相當吸引力的。所以我們預期它們的主要電動車市場，將集中於短距離路線之商用貨車、巴士等。至於高性能鉛酸電池之誕生，則有待於技術之突破，其目標是60瓦．時／公斤和深度充放電壽命逾1000次（按充放電壽命與其放電深度有關，愈深則壽命愈短）。這方面的工作較具挑戰性，也難預期成果，目前主要在日本與歐洲進行。正在研究中之題目包括兩極系統（bipolar system，即一張極片一面作正極，另一面作負極用）、重疊式負極，和電解液之循環流動等。任何一項題目之完全成功，都可以使鉛酸電池達到一般電動車之要求，因此此項發展工作對於未來電動車市場將具重大意義。只是在1990年以前，成功之可能性小於10％。鎳鋅電池由於過去幾年的發展結果，近期內將鎳鋅電池商業化之希望大增。目前主要之阻礙是其充放電壽命仍然不理想，此點一旦克服，大量使用鎳鋅電池之電動車的出現是可以預期的。鎳鋅電池的反應是：正極【瀏覽原件】負極【瀏覽原件】電池之總反應為：【瀏覽原件】它的基本問題是氧化鋅可溶於電解液中（30～45％KOH溶液），以致發生充放電後極片形狀改變、冒出樹枝狀結晶、反應物聚集鈍化等現象，而使電池壽命提前結束。針對此問題的研究方法有很多，包括： ‧發展更高性能之隔離片。 ‧在電解液和鋅極加入添加劑。 ‧研究使電流和反應速率更均勻之技巧。 ‧重新設計。這些技術是否可以徹底解決壽命問題尚難預卜，不過今後幾年內可能會將深度充放電壽命自200～300次延長到300～500次。事實上，大多數之電動車需要深淺不定程度之放電，所以壽命應該比以深度放電為準之試驗為長。譬如在美國，大多數的私家車每年只有幾十次長途旅程，而有幾百次以上之短程使用場合。因此一部要求使用10年、10萬哩之電動車，可能需要上千次之低度放電，而只需要幾百次深度放電。如此使用狀態之鎳鋅電池，其確實壽命尚缺足夠實驗資料，但是其壽命遠長於連續深度放電是確定的。以目前之技術水準，鎳鋅電池之重量能量密度大約可達65瓦．時／公斤，預期到西元2000年可再增加25％。其功率表現優越，可連續維持在175瓦／公斤，容積能量密度亦佳（約120瓦．時／升），而且還在改進中。鎳鋅電池適合大多數之交通工具要求，因此通用汽車公司已經宣布，在1980年代中期將推出用鎳鋅電池之電動車。當然這必須是假設在近期內將壽命問題能有效解決。鎳鋅電池之成本在大規模自動化生產以前，將超過100美元／瓩．時。如果鎳價穩定維持在成本7美元／瓩．時以內，則最後總成本可能會降至50～60美元／瓩．時。全世界之鎳主要來源地為加拿大，大量鎳鋅電池之使用當有賴於報廢電池材料之有效回收（鎳之回收率應高於90％），為製造鎳鋅電池所進口之鎳不同於進口之汽油，可以重複回收使用是其優點。一百萬輛客用電動車所需之鎳鋅電池（每輛車以25瓩．時計），其消耗之鎳大約為1975年世界鎳生產量之10％。鎳鐵電池鎳鐵電池是西元1901年愛迪生所發明的，在1920年代以前是最重要的蓄電池之一。目前除了蘇俄廣泛使用以外，幾乎都已被鉛酸電池所取代。但是近幾年來在美、俄各國之研究，尤其是鐵粉燒結技術之改進，重新引起世人對它的興趣。鎳鐵電池之活性物質，包括用於正極之水化態過氧化鎳粉和用於負極之鐵粉。鎳極之製作已發展成功，與已商業化或正在發展中之電池，如鎳氫電池、鎳鎘電池、鎳鋅電池完全相同。鐵極之電壓曲線有兩個轉折點，此因其反應分為兩段。第一段是Fe→Fe⁺⁺，接著第二段是Fe⁺⁺→Fe⁺⁺⁺。因此鐵極之反應為第一段【瀏覽原件】第二段【瀏覽原件】近年來，研究者大多只利用第一段之作用。至於鎳極之反應，與鎳鋅電池中之鎳極相同。鎳鐵電池之基本問題是充電時大量氫氣之發生。因為氫氣發生電壓與氫氧化亞鐵之還原電壓接近，這種氣體發生之副反應當然是不利的。若干設計上之改良以及添加劑的使用都在研究中，以減少此副作用。少量硫化物有抑制氣體發生之效果。這一類之改進尚有待於大型電池使用時之驗證。氫氣之發生會造成充電效率之下降、電解液維護之困難，以及氫氣所帶來之安全顧慮。目前，鎳鐵電池未得到吾人對其應有之重視。事實上，它是幾種最有希望的電池系統中，唯一在強度上、壽命上已經達到要求的電池。現有之鎳鐵電池，其重量能量密度約在50～55瓦．時／公斤之間，將它提升到60瓦．時／公斤，應該沒有重大困難。鎳鐵電池之另一基本問題是起初製作成本偏高，但是由於它的壽命長，仍具有相當競爭力。它們的體積也較龐大，對於精巧之私家車較不理想，但是對於商用車，如巴士、貨車應無問題。另外兩個問題也限制了鎳鐵電池之應用。第一個是它的性能在溫度降至10℃以下時嚴重衰落，到了0℃時幾乎完全不能使用，因此除非有價廉物美之加熱裝置，否則它們是不適合在寒帶地區使用。另一個問題是輸出電壓偏低，因此欲提供與鎳鋅電池相同之電能，則需要較鎳鋅電池多20～40％之鎳，因此鎳鐵電池之生產比鎳鋅電池更易受鎳價和供應上之影響。總而言之，鎳鐵電池適合電動巴士與貨車，而不適於小型車輛。鋰鐵硫電池鋰鐵硫霜池（lithium-iron-sulfide battery）之研究，係由早期鋰硫電池（lithium-sulfur battery）脫胎而來。早期的工作由於硫輸送之不可逆現象，以及液態鋰之污染問題無法解決，而逐漸放棄。至1973年，吾人發現可利用鐵之硫化物取代硫，和用鋰鋁合金取代熔融鋰，來克服上述困難。兩種鐵硫化物FeS₂、FeS均可作為正極活性物質，電解液是LiCl/KCl之熔融混合鹽，其熔點為352℃。電池之反應為：負極【瀏覽原件】正極【瀏覽原件】總反應【瀏覽原件】因為電池不能在電解質凝固點附近正常作用，操作溫度必須高於400℃。雖然此類電池可以承受很多次在凝固點上下之溫度變化，但是在實際使用上必須利用設計精良之保溫裝置，使其溫度維持在400℃以上。高溫操作在熱能上之散失，可能尚小於任何電池作用時必然會產生之熱量，因此這一項能量損失可以忽略。過去幾年來，此電池之技術進步良多，但是距離商業化還有很長一段距離。實驗證明在輕負荷使用中（50～75瓦．時／公斤），其壽命可達兩年以上。其起初能量密度雖可高達100瓦．時／公斤，但是無法維持200次以上充放電，其原因也在研究中。目前當作隔離片之氮化硼膜性能良好，但是成本昂貴，欲使電池成本合理降低，此項隔離片之成本必須降至目前價格之1/10左右。解決途徑之一是將隔離片變薄，以減少氮化硼材料之使用量，但是太薄之隔離片能否承受極片作用時之膨脹，實在令人擔心。美國固而得（Gould）公司和依哥（Eagle-Picher）公司等，在過去三年皆致力於本電池之發展，目前已完成上百個100～400瓦．時之電池。此類電池之商業化，有待壽命問題與隔離片成本問題之解決，預期這些困難均將克服，但是會延至80年代中期以後。金屬鋰之生產量與需要量，目前均有限。將來要大量生產此類電池，則鋰之生產量必須增加10倍以上。全世界1975年鋰之生產量，只夠用於30萬輛用鋰鐵硫電池（25瓩）之電動車。地質學家謂地球上鋰之蘊藏量足夠供應電動車所需，但是現有之礦區貯量有限，大量的探勘工作必須立即著手，以應付將來日增之需要。鋰鐵硫電池之性能甚符合電動車之需求，到1990年左右它可能是容積能量密度最高者（超過200瓦．時／升），其重量能量密度將超過鎳鋅電池20～40％，其尖峰功率也佳。安全考慮也很重要，巴德（Budd）公司曾將大型之鋰鐵硫電池進行衝撞試驗，結果顯示不會發生燃燒，而電池可以承受每小時30哩之衝擊。此類電池之串聯組合試驗尚未充分研究，於1979年曾完成一大型之鋰鐵硫電池，準備作實地電動車試驗，結果該電池發生短路，以致過熱損壞。此類車上試驗，大約尚需一、兩年的準備時間。此類電池之未來生產成本頗難估算，如廉價之隔離片可以取得，而鋰價又保持穩定的話，大量生產成本可能在60美元／瓩．時以下。本電池距離完全成功之日尚遠，但是已確立其為中程最具潛力之電動車電池的地位。鋅氯電池過去吾人雖了解鋅氯電池之成本低、能量密度高，但是由於氯氣之毒性重而未予重視。近年來發明可將氯以水化物之固態方式貯存，因此本電池之研究發展工作，進展突然加速。目前主要的研究單位是一家公司，名叫能量發展公司（Energy Development Associates）。他們發展出來的鋅氯電池，包含利用泵流通電解液和冷卻氯之水化物裝置。電解液是氯化鋅溶液，操作溫度大約是40～50℃。電池充電時，鋅自溶液中鍍至石墨片上，而生成的氯氣則與冷凍之電解液接觸形成水化物，過濾後貯於另一槽內備用。放電時，生成之氯化鋅以高濃度溶液存在以節省空間。充電至氯化鋅濃度降至10％以下即停止；而放電時，溫熱之電解液流經氯水化物，造成氯之散放，然後溶入電解液中引發反應。充放電過程可能產生之氫氣，會與氯氣化合成鹽酸，回歸至電解液中。現有之鋅氯電池，其重量能量密度約在75～85瓦．時／公斤。本電池之基本問題為各項冷凍、幫浦裝置所必然帶來之效率損失，以及氯氣反應之電解效率損失。但是研究人員相信鋅氯電池用於電動車上，其總能量效率仍可達65％。鋅氯電池可以用於供電系統之非尖峰用電期之貯存電能裝置。它的優點是製作材料來源豐富，成本低廉，它可能會成為第一種由供電工業所推動發展出來的高能量電池。吾人相信鋅氯電池之性能終將達到能量密度100瓦．時／公斤，使用壽命超過五年之標準。不幸的是，它不太合適用於電動車，它的構造複雜龐大，對於電動車產生安裝與安全上之困擾。它的複雜組件，不會因為將電池容量減少而簡化，因此最多只能用於較大型之巴士或貨車上，不大可能用於小客車。發展者宣稱，精巧之設計可使氯氣不當外洩之可能性減至最小，但是只要有一次意外，即代表五十公斤以上氯氣之發散，這是一項令人關切的問題。鋅氯電池如要安裝在車上，勢必先要經過經年累月之安全試驗，而結果均對其有利，才可能實現。它能將各項性能、壽命和安全問題，在1990年以前完全解決之可能性不到20％。但是鋅氯電池將是中程電池中最先進入電動車實地試驗者，在今年即將開始路試。鈉硫電池在美、英、法、日各國，大規模研究鈉硫電池之計畫已經延續十年之久。它的特徵是用一種陶瓷質之電解質，稱為β^-鋁氧（beta alumina, Na₂O．11 Al₂O₃）。這種材料在300～350℃可以如同金屬般導電，其中帶電粒子是那些鈉離子。鈉與硫作為活性物質，均處於熔融態，而固態之電解質也具隔離片之功能。它的電化學反應是：負極【瀏覽原件】正極【瀏覽原件】總反應【瀏覽原件】鈉硫電池之基本設計是一根β^-鋁氧材質之管，內盛液態鈉。管壁外包石墨網，上面附著了液態硫和硫化物，外面是一金屬容器作為正極導電物。高溫下金屬正極之腐蝕為一嚴重問題。一些英國的研究人員將正負極活性物質反裝，也就是硫在管內而鈉在管外，如此的裝置放電性能稍差，但是對於壽命和成本有利。福特公司的研究人員卻認為，這種反裝電池由於正極熱傳送的困難，將不適於用在電動車上之高性能電池。硫電極之反應機制甚複雜，由於硫之導電性差，因此要加上石墨材料來幫助導電。放電時生成之鈉硫化物不溶於元素硫中，因此在60％之放電過程中，硫極成為兩相，超過此放電深度，大多數之硫即消耗，而鈉硫化物彼此互溶而成為一相。為確使硫極維持液態（Na₂S₅至Na₂S₃），必須將溫度保持270℃以上，實際操作溫度大約是300～375℃。在車輛用途上，尖峰功率對平均功率之比要求高，此時鈉硫電池之硫極必須在單相狀態，因此大大限制了其能量密度。目前電動車用鈉硫電池之目標是110瓦．時／升和130瓦．時／公斤，這可能不太容易達成。鈉硫電池用於電動車上之前途並不樂觀，它們較適合於供電系統之大規模貯藏電能。它的主要技術問題如下： ‧β^-鋁氧之耐用性不理想。 ‧正極之腐蝕。 ‧包裝設計上之困難。 ‧安全因素。在1990年以前解決上述問題之可能性不到10％，至於原料之供應與價格倒不是問題。即使鈉硫電池之強固性與放電性能有效的改善，還必須進行大規模的安全試驗，來確定它能否推銷至一般用戶。可能需要一個非常堅固、保證耐衝撞之外殼，來免除可能發生之鈉著火、鈉遇水爆炸、鈉硫反應過劇等災禍。這些安全設計之本身重量與成本，對本電池構成沉重之負擔，因此全世界對於鈉硫電池作為電動車電池之興趣正在逐漸減退。其他電池系統其他電池系統在西元2000年以前商業化之希望甚渺，當然一項突然來的技術革新可以使預測完全改觀。比較有希望的電池，包括鈉硫電池（以矽化物為題解質）、鋅溴電池、鐵空氣電池、鋁空氣電池、鋰硫化鈦電池，及其他一些特種電池。在道氏化學公司（Dow Chemical Co.）的研究人員，於過去一年裡已成功地發展出一種以矽化合物為電解質之鈉硫電池。他們的電池容量達40安培．時（Ah），已經足夠用於電動車上。這種電池之性能，一年內預期可達145瓦．時／公斤和175瓦．時／升。該公司預定今年建立一個先導工廠生產此型電池，他們且已設計出一種流量控制器，以防止鈉硫之過多接觸而發生過熱現象。現設計之封罐裝置和貯存槽，大大地延長了電池之壽命。本電池也能承受相當程度之過充電。目前主要技術瓶頸是不能耐多次之溫度劇變，大型電池之壽命仍短，以及封口材料成分和製造上之改進。鋁空氣電池近一年來之進步也頗為顯著，其電化學反應已能確定，而電池之結構也已發展成功，它在功率上之改進使它適用於小客車上。它的問題偏於工程設計方面（而非電極本身）和電流效率太低（不達40％），但是它的高能量密度和可以採取機械方式充電，使它成為唯一能在性能上與汽車相比之電化學系統。這個電池之前途由於成本之不確定，尚缺少完整電池之試驗資料而難以衡量。愛克森公司（Exxon）所發展的鋰硫化鈦電池，由於找不到適當之電解質來承載電動車所需之大電流，而遭到阻礙。此類電池與鋰鐵硫電池相似，因此也採用鋰鋁合金來替代液態鋰作為負極。如果能找到一種恰當之電解質，本電池可成為一絕佳之電動車電池。在國立阿岡研究所發展中之鈣硫化鐵電池，已經製成容量達300安培．時之成品。本電池之目的是發展一種不需要用鋰之硫化物電池，因為鋰之供應有限而價格昂貴。研究人員發現正極反應中不會產生高溶解度之硫化物，以致它們應該比鋰鐵硫電池壽命為長。目前致力於發展出一個可靠之長壽命電池，本電池欲用於電動車，尚須在單位功率上作重大改進。風險與成果之關係作者發展了一套貝氏決策術（Bayesian decision analysis），來評估電動車電池。這套方法之特點為： ‧將各種電池按其技術之成熟性先行編組。 ‧衡量技術上之冒險程度，包括處理不良品質與錯誤情報之方法（譯者註：此處冒險係指研究而不獲具體成果之可能性）。 ‧一種貝氏偵查術，來對各電池予以計量式評價。 ‧對發展工作之冒險與成功後之利益作直接比較。上述各項中對電池而言，以衡量技術之冒險程度最困難。貝氏決策術分為兩個步驟。第一個步驟是確定技術瓶頸，然後再研討克服每一瓶頸之可能性。圖四即為用此法對各電池所得之發現，各種電池技術之困難度顯然大不相同。為評估研究發展之價值，作者選定八項「電池性能要求因素」，以衡量一種電池是否合適用於電動車。表二即為各電池以每一項因素考慮之表現，以及它們的綜合成績。我們現在可以來對各電池之研究風險與成果利益作一比較。一般說來，風險與成果大致成正比。由圖四可知大多數電池都座落於一線性區域，即大多數電池之風險對成果比值相去不遠。近來技術上之趨勢則用箭頭表示，其他?歋於圖內之電池，其比值大多在線性區以下。由此二圖表可知，很難明確判定目前那一種電池是最有發展潛力的。每一種電池其商業化之可能性都達50％，而至少有一種其商業化之累積可能性會超過75％。很顯然到1985年，性能比目前大為進步之電動車必將問世。但是汽車仍將佔據主要市場，直到汽油變得極為稀少而昂貴。到西元2000年，我們多半會看到成百上千的電動車在路上行駛。而到那時實際電動車的數目，將視石油之匱乏程度和電池之研究進展而定。參考資料： 1. E. Behrin, W. Walsh, et. al., Energy Storage Systems for Automobile Propulsion, Volumes 1 and 2, Lawrence Livermore Laboratory, UCRL-52303, 1977. 2. W. J. Walsh, "A Bayesian Approach to Forecasting Technical Succes," University of Chicago Conference on the Economics of Research and Development Policy, April, 1979. （本文譯自W. J. Walsh, "Advanced batteries for electric vehicles－a look at the future", Physics Today, June, 1980）萬其超現任教於清華大學工業化學系。
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1980年10月130期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1980、10 ＃期號：0130 ＃專欄：＃標題：電動車用之高性能電池──未來之瞻望＃作者：萬其超．較具潛力之電池系統．其他電池系統．風險與成果之關係．表一：有待克服之技術瓶頸。．表二：電池之相對需求程度表。 a：在80％放電深度。 b：本值僅代表使用貝氏偵測方法所得關於各電池使用於電動車之綜合評估。（括弧代表數字不確定）．圖一：通用電氣公司裝上鉛酸電池之四人座客車。其設計為市內使用，行程約45哩。．圖二：用於圖一之改良式鉛酸電池。極片（1）具輻射狀格子體（2）。隔離片（3）與活性物質（4）均為特殊研製。．圖三：鈉硫電池外觀圖（福特公司提供）。．圖四：電池之需求程度與技術困難程度關係圖（係按照貝氏偵測方法所得）。		電動車用之高性能電池 ──未來之瞻望今日能源危機中，我們所面臨的最迫切的一項問題是用於交通上之液體燃料的短缺。這個問題可經由設計更省油的汽車，減少不必要之旅行，自煤、油頁岩等來合成或者抽取液體燃料等手段，以減輕一部分壓力。另一解救途徑則為推廣電動車的使用。此因發電廠之能源可來自許多種形式，並不限於石油，而這許多種能源在短期中不虞匱乏。若將汽車換成電動車，可以減少對高級液體燃料之依賴。今後十年中，由於（美國）政府與工業界對電動車研究工作之大力支持，電動車的性能可能會有長足之進步。這些改良後之電動車將具有輕巧之機件，高效率之馬達與控制系統，以及流線型的車身以減少阻力。最後電動車成敗的關鍵，將在於能否大量生產出一種在性能上、強度上與價格上皆合理之電池。較具潛力之電池系統電動車市場在未來可能佔有之美景，誘導出一系列高性能電池研究發展之競賽，世界各地的研究單位都致力於電池技術之改良。最近通用汽車公司與福特汽車公司宣布，將在80年代中期進入電動車市場，即為此類發展成果之明證。理論上有三十多種電化學系統可應用於電動車。其中許多種考慮到製作材料之成本與供應即可以立即予以放棄，剩下之十多種各具優點及缺點，只有少數幾種已經發展到估計在西元2000年以前可能會大量使用。在近程計畫中最有希望的是 ‧鉛酸電池 ‧鎳鋅電池 ‧鎳鐵電池上述系統有的已經使用，有的接近商業化。而在中程計畫中，也就是尚需作許多改進的是 ‧鋰金屬硫化物電池（lithium-metal sulfide） ‧鋅氯電池 ‧鈉硫電池這些中程電池之性能，理論上優於那些近程電池。所以預計經過一段較長之研究發展工作，也許會在電動車發展的中期大派用場。鉛酸電池鉛酸電池為最常用之蓄電池。它是將正負極浸於硫酸電解液中。當電池充飽電時，正極的活性物質是二氧化鉛，而負極活性物質是鉛。當它放電時，兩種活性物質經由下述反應轉變成硫酸鉛：正極【瀏覽原件】負極【瀏覽原件】因此電池之總反應是【瀏覽原件】充放電過程中，由於鉛、二氧化鉛、硫酸鉛皆難溶於硫酸溶液，因此電極片維持固體狀態。鉛酸電池極片之製作有兩種：一種是平板塗膏式，另一種是管狀填充式。平板電極是將膏狀之活性物質塗於一張鉛合金之骨架（格子體）上，而管狀電極是將活性物質填塞入一根根以玻璃纖維布織成之圓筒中。後者之容積能量密度略高，但是製作費事成本高，大多數之鉛酸電池皆用平板極片。目前的研究工作朝向兩方面：一方面是改進現有之鉛酸電池，另一方面是發展全新之高性能鉛酸電池，其性能高於現有者50％以上，兩方面之工作有相當差距。改良現有鉛酸電池之目標，是預期在一兩年之內將其重量能量密度（gravimetric energy density, or specific energy）提高至40～50瓦．時／公斤（Wh/kg），而充放電壽命延長至500～800次。即使達成這些目標，所發展成功之電池性能仍然不能充分滿足電動車之需求。如果用於車上，則一次充電之行程相當有限。當然可以在車上多裝載些電池以增加一部分行程，但是車上之電池越多越重，則電池內之電能就有愈多是用於推動電池本身。這在節省能源的觀點上是不利的，何況一大套電池也是相當昂貴的。這類改良電池之尖峰功率（peak power）也不理想，尤其是到了放電末期和在低溫狀態使用，就大大地限制了車子的加速度。此外，它們的體積也嫌龐大〔低於100瓦．時／升（Wh/1）〕。不過這類電池可使用現成之工廠設備來生產，也是在1982年以前唯一成本低於100美元／瓩．時（$100/kWh）者。如果鉛價維持穩定，預期成本可以降至45美元／瓩．時。當然近年來對於鉛酸電池生產所牽涉之環境污染和安全問題日益重視，這方面的加強管制也可能使成本上升。到目前為止，鉛酸電池是唯一能用於任何電動車之電池。如果行程限於100哩（160公里）以內，則它們還是有相當吸引力的。所以我們預期它們的主要電動車市場，將集中於短距離路線之商用貨車、巴士等。至於高性能鉛酸電池之誕生，則有待於技術之突破，其目標是60瓦．時／公斤和深度充放電壽命逾1000次（按充放電壽命與其放電深度有關，愈深則壽命愈短）。這方面的工作較具挑戰性，也難預期成果，目前主要在日本與歐洲進行。正在研究中之題目包括兩極系統（bipolar system，即一張極片一面作正極，另一面作負極用）、重疊式負極，和電解液之循環流動等。任何一項題目之完全成功，都可以使鉛酸電池達到一般電動車之要求，因此此項發展工作對於未來電動車市場將具重大意義。只是在1990年以前，成功之可能性小於10％。鎳鋅電池由於過去幾年的發展結果，近期內將鎳鋅電池商業化之希望大增。目前主要之阻礙是其充放電壽命仍然不理想，此點一旦克服，大量使用鎳鋅電池之電動車的出現是可以預期的。鎳鋅電池的反應是：正極【瀏覽原件】負極【瀏覽原件】電池之總反應為：【瀏覽原件】它的基本問題是氧化鋅可溶於電解液中（30～45％KOH溶液），以致發生充放電後極片形狀改變、冒出樹枝狀結晶、反應物聚集鈍化等現象，而使電池壽命提前結束。針對此問題的研究方法有很多，包括： ‧發展更高性能之隔離片。 ‧在電解液和鋅極加入添加劑。 ‧研究使電流和反應速率更均勻之技巧。 ‧重新設計。這些技術是否可以徹底解決壽命問題尚難預卜，不過今後幾年內可能會將深度充放電壽命自200～300次延長到300～500次。事實上，大多數之電動車需要深淺不定程度之放電，所以壽命應該比以深度放電為準之試驗為長。譬如在美國，大多數的私家車每年只有幾十次長途旅程，而有幾百次以上之短程使用場合。因此一部要求使用10年、10萬哩之電動車，可能需要上千次之低度放電，而只需要幾百次深度放電。如此使用狀態之鎳鋅電池，其確實壽命尚缺足夠實驗資料，但是其壽命遠長於連續深度放電是確定的。以目前之技術水準，鎳鋅電池之重量能量密度大約可達65瓦．時／公斤，預期到西元2000年可再增加25％。其功率表現優越，可連續維持在175瓦／公斤，容積能量密度亦佳（約120瓦．時／升），而且還在改進中。鎳鋅電池適合大多數之交通工具要求，因此通用汽車公司已經宣布，在1980年代中期將推出用鎳鋅電池之電動車。當然這必須是假設在近期內將壽命問題能有效解決。鎳鋅電池之成本在大規模自動化生產以前，將超過100美元／瓩．時。如果鎳價穩定維持在成本7美元／瓩．時以內，則最後總成本可能會降至50～60美元／瓩．時。全世界之鎳主要來源地為加拿大，大量鎳鋅電池之使用當有賴於報廢電池材料之有效回收（鎳之回收率應高於90％），為製造鎳鋅電池所進口之鎳不同於進口之汽油，可以重複回收使用是其優點。一百萬輛客用電動車所需之鎳鋅電池（每輛車以25瓩．時計），其消耗之鎳大約為1975年世界鎳生產量之10％。鎳鐵電池鎳鐵電池是西元1901年愛迪生所發明的，在1920年代以前是最重要的蓄電池之一。目前除了蘇俄廣泛使用以外，幾乎都已被鉛酸電池所取代。但是近幾年來在美、俄各國之研究，尤其是鐵粉燒結技術之改進，重新引起世人對它的興趣。鎳鐵電池之活性物質，包括用於正極之水化態過氧化鎳粉和用於負極之鐵粉。鎳極之製作已發展成功，與已商業化或正在發展中之電池，如鎳氫電池、鎳鎘電池、鎳鋅電池完全相同。鐵極之電壓曲線有兩個轉折點，此因其反應分為兩段。第一段是Fe→Fe⁺⁺，接著第二段是Fe⁺⁺→Fe⁺⁺⁺。因此鐵極之反應為第一段【瀏覽原件】第二段【瀏覽原件】近年來，研究者大多只利用第一段之作用。至於鎳極之反應，與鎳鋅電池中之鎳極相同。鎳鐵電池之基本問題是充電時大量氫氣之發生。因為氫氣發生電壓與氫氧化亞鐵之還原電壓接近，這種氣體發生之副反應當然是不利的。若干設計上之改良以及添加劑的使用都在研究中，以減少此副作用。少量硫化物有抑制氣體發生之效果。這一類之改進尚有待於大型電池使用時之驗證。氫氣之發生會造成充電效率之下降、電解液維護之困難，以及氫氣所帶來之安全顧慮。目前，鎳鐵電池未得到吾人對其應有之重視。事實上，它是幾種最有希望的電池系統中，唯一在強度上、壽命上已經達到要求的電池。現有之鎳鐵電池，其重量能量密度約在50～55瓦．時／公斤之間，將它提升到60瓦．時／公斤，應該沒有重大困難。鎳鐵電池之另一基本問題是起初製作成本偏高，但是由於它的壽命長，仍具有相當競爭力。它們的體積也較龐大，對於精巧之私家車較不理想，但是對於商用車，如巴士、貨車應無問題。另外兩個問題也限制了鎳鐵電池之應用。第一個是它的性能在溫度降至10℃以下時嚴重衰落，到了0℃時幾乎完全不能使用，因此除非有價廉物美之加熱裝置，否則它們是不適合在寒帶地區使用。另一個問題是輸出電壓偏低，因此欲提供與鎳鋅電池相同之電能，則需要較鎳鋅電池多20～40％之鎳，因此鎳鐵電池之生產比鎳鋅電池更易受鎳價和供應上之影響。總而言之，鎳鐵電池適合電動巴士與貨車，而不適於小型車輛。鋰鐵硫電池鋰鐵硫霜池（lithium-iron-sulfide battery）之研究，係由早期鋰硫電池（lithium-sulfur battery）脫胎而來。早期的工作由於硫輸送之不可逆現象，以及液態鋰之污染問題無法解決，而逐漸放棄。至1973年，吾人發現可利用鐵之硫化物取代硫，和用鋰鋁合金取代熔融鋰，來克服上述困難。兩種鐵硫化物FeS₂、FeS均可作為正極活性物質，電解液是LiCl/KCl之熔融混合鹽，其熔點為352℃。電池之反應為：負極【瀏覽原件】正極【瀏覽原件】總反應【瀏覽原件】因為電池不能在電解質凝固點附近正常作用，操作溫度必須高於400℃。雖然此類電池可以承受很多次在凝固點上下之溫度變化，但是在實際使用上必須利用設計精良之保溫裝置，使其溫度維持在400℃以上。高溫操作在熱能上之散失，可能尚小於任何電池作用時必然會產生之熱量，因此這一項能量損失可以忽略。過去幾年來，此電池之技術進步良多，但是距離商業化還有很長一段距離。實驗證明在輕負荷使用中（50～75瓦．時／公斤），其壽命可達兩年以上。其起初能量密度雖可高達100瓦．時／公斤，但是無法維持200次以上充放電，其原因也在研究中。目前當作隔離片之氮化硼膜性能良好，但是成本昂貴，欲使電池成本合理降低，此項隔離片之成本必須降至目前價格之1/10左右。解決途徑之一是將隔離片變薄，以減少氮化硼材料之使用量，但是太薄之隔離片能否承受極片作用時之膨脹，實在令人擔心。美國固而得（Gould）公司和依哥（Eagle-Picher）公司等，在過去三年皆致力於本電池之發展，目前已完成上百個100～400瓦．時之電池。此類電池之商業化，有待壽命問題與隔離片成本問題之解決，預期這些困難均將克服，但是會延至80年代中期以後。金屬鋰之生產量與需要量，目前均有限。將來要大量生產此類電池，則鋰之生產量必須增加10倍以上。全世界1975年鋰之生產量，只夠用於30萬輛用鋰鐵硫電池（25瓩）之電動車。地質學家謂地球上鋰之蘊藏量足夠供應電動車所需，但是現有之礦區貯量有限，大量的探勘工作必須立即著手，以應付將來日增之需要。鋰鐵硫電池之性能甚符合電動車之需求，到1990年左右它可能是容積能量密度最高者（超過200瓦．時／升），其重量能量密度將超過鎳鋅電池20～40％，其尖峰功率也佳。安全考慮也很重要，巴德（Budd）公司曾將大型之鋰鐵硫電池進行衝撞試驗，結果顯示不會發生燃燒，而電池可以承受每小時30哩之衝擊。此類電池之串聯組合試驗尚未充分研究，於1979年曾完成一大型之鋰鐵硫電池，準備作實地電動車試驗，結果該電池發生短路，以致過熱損壞。此類車上試驗，大約尚需一、兩年的準備時間。此類電池之未來生產成本頗難估算，如廉價之隔離片可以取得，而鋰價又保持穩定的話，大量生產成本可能在60美元／瓩．時以下。本電池距離完全成功之日尚遠，但是已確立其為中程最具潛力之電動車電池的地位。鋅氯電池過去吾人雖了解鋅氯電池之成本低、能量密度高，但是由於氯氣之毒性重而未予重視。近年來發明可將氯以水化物之固態方式貯存，因此本電池之研究發展工作，進展突然加速。目前主要的研究單位是一家公司，名叫能量發展公司（Energy Development Associates）。他們發展出來的鋅氯電池，包含利用泵流通電解液和冷卻氯之水化物裝置。電解液是氯化鋅溶液，操作溫度大約是40～50℃。電池充電時，鋅自溶液中鍍至石墨片上，而生成的氯氣則與冷凍之電解液接觸形成水化物，過濾後貯於另一槽內備用。放電時，生成之氯化鋅以高濃度溶液存在以節省空間。充電至氯化鋅濃度降至10％以下即停止；而放電時，溫熱之電解液流經氯水化物，造成氯之散放，然後溶入電解液中引發反應。充放電過程可能產生之氫氣，會與氯氣化合成鹽酸，回歸至電解液中。現有之鋅氯電池，其重量能量密度約在75～85瓦．時／公斤。本電池之基本問題為各項冷凍、幫浦裝置所必然帶來之效率損失，以及氯氣反應之電解效率損失。但是研究人員相信鋅氯電池用於電動車上，其總能量效率仍可達65％。鋅氯電池可以用於供電系統之非尖峰用電期之貯存電能裝置。它的優點是製作材料來源豐富，成本低廉，它可能會成為第一種由供電工業所推動發展出來的高能量電池。吾人相信鋅氯電池之性能終將達到能量密度100瓦．時／公斤，使用壽命超過五年之標準。不幸的是，它不太合適用於電動車，它的構造複雜龐大，對於電動車產生安裝與安全上之困擾。它的複雜組件，不會因為將電池容量減少而簡化，因此最多只能用於較大型之巴士或貨車上，不大可能用於小客車。發展者宣稱，精巧之設計可使氯氣不當外洩之可能性減至最小，但是只要有一次意外，即代表五十公斤以上氯氣之發散，這是一項令人關切的問題。鋅氯電池如要安裝在車上，勢必先要經過經年累月之安全試驗，而結果均對其有利，才可能實現。它能將各項性能、壽命和安全問題，在1990年以前完全解決之可能性不到20％。但是鋅氯電池將是中程電池中最先進入電動車實地試驗者，在今年即將開始路試。鈉硫電池在美、英、法、日各國，大規模研究鈉硫電池之計畫已經延續十年之久。它的特徵是用一種陶瓷質之電解質，稱為β^-鋁氧（beta alumina, Na₂O．11 Al₂O₃）。這種材料在300～350℃可以如同金屬般導電，其中帶電粒子是那些鈉離子。鈉與硫作為活性物質，均處於熔融態，而固態之電解質也具隔離片之功能。它的電化學反應是：負極【瀏覽原件】正極【瀏覽原件】總反應【瀏覽原件】鈉硫電池之基本設計是一根β^-鋁氧材質之管，內盛液態鈉。管壁外包石墨網，上面附著了液態硫和硫化物，外面是一金屬容器作為正極導電物。高溫下金屬正極之腐蝕為一嚴重問題。一些英國的研究人員將正負極活性物質反裝，也就是硫在管內而鈉在管外，如此的裝置放電性能稍差，但是對於壽命和成本有利。福特公司的研究人員卻認為，這種反裝電池由於正極熱傳送的困難，將不適於用在電動車上之高性能電池。硫電極之反應機制甚複雜，由於硫之導電性差，因此要加上石墨材料來幫助導電。放電時生成之鈉硫化物不溶於元素硫中，因此在60％之放電過程中，硫極成為兩相，超過此放電深度，大多數之硫即消耗，而鈉硫化物彼此互溶而成為一相。為確使硫極維持液態（Na₂S₅至Na₂S₃），必須將溫度保持270℃以上，實際操作溫度大約是300～375℃。在車輛用途上，尖峰功率對平均功率之比要求高，此時鈉硫電池之硫極必須在單相狀態，因此大大限制了其能量密度。目前電動車用鈉硫電池之目標是110瓦．時／升和130瓦．時／公斤，這可能不太容易達成。鈉硫電池用於電動車上之前途並不樂觀，它們較適合於供電系統之大規模貯藏電能。它的主要技術問題如下： ‧β^-鋁氧之耐用性不理想。 ‧正極之腐蝕。 ‧包裝設計上之困難。 ‧安全因素。在1990年以前解決上述問題之可能性不到10％，至於原料之供應與價格倒不是問題。即使鈉硫電池之強固性與放電性能有效的改善，還必須進行大規模的安全試驗，來確定它能否推銷至一般用戶。可能需要一個非常堅固、保證耐衝撞之外殼，來免除可能發生之鈉著火、鈉遇水爆炸、鈉硫反應過劇等災禍。這些安全設計之本身重量與成本，對本電池構成沉重之負擔，因此全世界對於鈉硫電池作為電動車電池之興趣正在逐漸減退。其他電池系統其他電池系統在西元2000年以前商業化之希望甚渺，當然一項突然來的技術革新可以使預測完全改觀。比較有希望的電池，包括鈉硫電池（以矽化物為題解質）、鋅溴電池、鐵空氣電池、鋁空氣電池、鋰硫化鈦電池，及其他一些特種電池。在道氏化學公司（Dow Chemical Co.）的研究人員，於過去一年裡已成功地發展出一種以矽化合物為電解質之鈉硫電池。他們的電池容量達40安培．時（Ah），已經足夠用於電動車上。這種電池之性能，一年內預期可達145瓦．時／公斤和175瓦．時／升。該公司預定今年建立一個先導工廠生產此型電池，他們且已設計出一種流量控制器，以防止鈉硫之過多接觸而發生過熱現象。現設計之封罐裝置和貯存槽，大大地延長了電池之壽命。本電池也能承受相當程度之過充電。目前主要技術瓶頸是不能耐多次之溫度劇變，大型電池之壽命仍短，以及封口材料成分和製造上之改進。鋁空氣電池近一年來之進步也頗為顯著，其電化學反應已能確定，而電池之結構也已發展成功，它在功率上之改進使它適用於小客車上。它的問題偏於工程設計方面（而非電極本身）和電流效率太低（不達40％），但是它的高能量密度和可以採取機械方式充電，使它成為唯一能在性能上與汽車相比之電化學系統。這個電池之前途由於成本之不確定，尚缺少完整電池之試驗資料而難以衡量。愛克森公司（Exxon）所發展的鋰硫化鈦電池，由於找不到適當之電解質來承載電動車所需之大電流，而遭到阻礙。此類電池與鋰鐵硫電池相似，因此也採用鋰鋁合金來替代液態鋰作為負極。如果能找到一種恰當之電解質，本電池可成為一絕佳之電動車電池。在國立阿岡研究所發展中之鈣硫化鐵電池，已經製成容量達300安培．時之成品。本電池之目的是發展一種不需要用鋰之硫化物電池，因為鋰之供應有限而價格昂貴。研究人員發現正極反應中不會產生高溶解度之硫化物，以致它們應該比鋰鐵硫電池壽命為長。目前致力於發展出一個可靠之長壽命電池，本電池欲用於電動車，尚須在單位功率上作重大改進。風險與成果之關係作者發展了一套貝氏決策術（Bayesian decision analysis），來評估電動車電池。這套方法之特點為： ‧將各種電池按其技術之成熟性先行編組。 ‧衡量技術上之冒險程度，包括處理不良品質與錯誤情報之方法（譯者註：此處冒險係指研究而不獲具體成果之可能性）。 ‧一種貝氏偵查術，來對各電池予以計量式評價。 ‧對發展工作之冒險與成功後之利益作直接比較。上述各項中對電池而言，以衡量技術之冒險程度最困難。貝氏決策術分為兩個步驟。第一個步驟是確定技術瓶頸，然後再研討克服每一瓶頸之可能性。圖四即為用此法對各電池所得之發現，各種電池技術之困難度顯然大不相同。為評估研究發展之價值，作者選定八項「電池性能要求因素」，以衡量一種電池是否合適用於電動車。表二即為各電池以每一項因素考慮之表現，以及它們的綜合成績。我們現在可以來對各電池之研究風險與成果利益作一比較。一般說來，風險與成果大致成正比。由圖四可知大多數電池都座落於一線性區域，即大多數電池之風險對成果比值相去不遠。近來技術上之趨勢則用箭頭表示，其他?歋於圖內之電池，其比值大多在線性區以下。由此二圖表可知，很難明確判定目前那一種電池是最有發展潛力的。每一種電池其商業化之可能性都達50％，而至少有一種其商業化之累積可能性會超過75％。很顯然到1985年，性能比目前大為進步之電動車必將問世。但是汽車仍將佔據主要市場，直到汽油變得極為稀少而昂貴。到西元2000年，我們多半會看到成百上千的電動車在路上行駛。而到那時實際電動車的數目，將視石油之匱乏程度和電池之研究進展而定。參考資料： 1. E. Behrin, W. Walsh, et. al., Energy Storage Systems for Automobile Propulsion, Volumes 1 and 2, Lawrence Livermore Laboratory, UCRL-52303, 1977. 2. W. J. Walsh, "A Bayesian Approach to Forecasting Technical Succes," University of Chicago Conference on the Economics of Research and Development Policy, April, 1979. （本文譯自W. J. Walsh, "Advanced batteries for electric vehicles－a look at the future", Physics Today, June, 1980）萬其超現任教於清華大學工業化學系。
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