【創新材料】抗寒新解,自己會加熱的鋰電池

■還記得前一陣子台灣冷到秀下霰嗎,若電動車時代真的來臨,嚴寒的天氣可能會讓你的車子瞬間變老爺車。

Image: Chao-Yang Wang / Penn State
Image: Chao-Yang Wang / Penn State

撰文|方程毅

電動車的商業化為人類能否減少對石油依賴的一大指標,電動車與傳統汽車最主要的差別在於動力來源為充電而非加油,必須在充電站把電充飽後才能上路。現今之所以還難以普及的瓶頸是因為儲存及提供能量的電池尚存在許多缺陷。電動車使用的電池是鋰電池(Li-ion battery),要讓一台車穩定且長時間行駛的電池必須具備以下特點:充放電快速、電池容量大、安全性佳及穩定度高等等。本文將介紹一項針對溫度穩定性進行改善的研究,根據AAA Automotive Research Center的計算,跟在24°C行駛的電動車相比,若是溫度降到-7°C,因為低溫造成電池效率的下降會讓電動車行駛的效率只剩57%。這在台灣可能不是大問題,但在歐美,經常一到冬天就冰天雪地,若一開始下雪車子效率就只剩6成,電動車大概永遠沒有取代傳統汽車的一天。

來自美國賓州州立大學(Pennsylvania State University),同時也是新創公司EC Power創辦人王昭陽(Chao-Yang Wang)教授的研究團隊便研發出一個會自己加熱的鋰電池,當外界溫度低於零度時,電池會自我加熱回到0°C,雖然加熱會額外消耗能量,但比起在低溫工作的損失只是小巫見大巫,這個電池被命名為全氣候電池(all-climate battery, ACB),發表在2016年自然期刊上Nature,同時也申請了美國專利。

一般電池主要由正負兩極及電解液組成,全氣候電池在電池裡多塞了一極專門做為加熱用,其材料是50μm厚的金屬鎳,當外界溫度低於0°C時,會有一個特殊開關將電流導到這片金屬上,產生電阻加熱(ohmic heat),讓電池本體在很短的時間內回到0°C。研究結果顯示,在-20°C時只需要20秒,-30°C時30秒就能讓電池升溫至0°C,消耗的能量分別只有3.8%及5.5%,相較於低溫工作的能量損失,能自動加熱的鋰電池無疑是電動車發展的一大突破。

研究團隊同時也針對耐用性進行測試,加了這片金屬後,正常適溫工作下與一般鋰電池無異,在充放電超過2000次後跟一般鋰電池相比也沒有顯著的退化。至於關鍵的低溫工作,測試研究團隊也沒馬虎,他們將全氣候電池放置在-30°C的環境下30天,再讓電池經過500次升降溫循環,還是能保有原本性質。至於重量與成本也只增加1.5%及0.04%,就商業化的角度來講這項研究同樣具有競爭力,這也難怪馬上要用專利保護起來。

在美國很多工程領域的教授或博士畢業生都是新創公司創辦人,這類發表論文、申請專利並直接利用自己研究成立公司的例子相當常見。他們將成果直接用於業界,不在象牙塔裡研究屠龍術,而去跟真實世界競爭,既能創造利潤又能實踐所學造福人群,一舉數得。

原始論文:Wang, Chao-Yang, Guangsheng Zhang, Shanhai Ge, Terrence Xu, Yan Ji, Xiao-Guang Yang, and Yongjun Leng. "Lithium-ion battery structure that self-heats at low temperatures." Nature (2016).

參考資料:

    1. 寒潮來襲,電動車撐不住?材料改良或為解方
    2. Extreme Temperatures Affect Electric Vehicle Driving Range, AAA Says
    3. 我们发明了“不怕冷”的锂电池

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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