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高密度鋰電池讓電動巴士動起來

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黃承揚｜英商牛津儀器

高雄市購置11輛全電動低地板公車，預計於2012年底成立第1支國道電動公車車隊……在政府政策推動下藉由大眾交通工具的推廣，逐步實現綠能運輸低碳島的理想生活。台灣電動車的發展，最早可追溯至民國80年工研院機械所與多家業者合作開發ZES2000雛型電動機車；當年的電動機車雖開發成功，但卻有電池壽命短、成本高、充電時間長、馬力不足……等等缺點，讓電動機車一直無法普及。

然今日於奈米化學材料加持下，已大大提升二次鋰電池的儲能密度與充放電速度，讓百餘公斤的電池能輕而易舉的推動3500公斤巴士車體，同時時速高達百公里。此正因奈米材料展現的特性，包含：擴散速度、儲能容量、熱穩定度……等等，和傳統材料完全不同，使電池效能提升所致。

奈米化學究竟在電池裡扮演怎樣關鍵性之角色呢？首先了解二次鋰電池的基本架構：一般電池主要由陽極(Anode，以石墨為例)、陰極(Cathode，以鋰為例)、電解液，與隔離物(Separator)所組成，而陽、陰極的物質溶解在電解液裡，藉由溶解差異所造成的化學電位差(電壓差異)達到充、放電的效果，整個化學過程的氧化還原反應，轉變成電能就是電池的基本工作原理。電池效力不好，簡單說就是鋰離子到陽極速度慢，而石墨陽極又無足夠空間讓鋰反應，全卡在電解液中產生廢熱，還有高溫爆炸的安全疑慮。而藉由奈米化陽極與陰極，並改善隔離膜的耐熱穩定性，此讓二次鋰離子電池如同打通任督二脈般，儲能效率提升5倍以上，耐溫的安全係數也大大提升。

1. 奈米化陰極的鋰離子
當電池在充、放電時，需要鋰離子能夠快速自陰極進出電解液到達陽極，而一般固體材料擴散速度慢，讓鋰離子充放電速度受限；科學家將材料縮小至奈米等級後，鋰離子自然容易自陰極遷出到達陽極，身材嬌小、行動不受拘束，大幅縮短充放電時間。

2. 多孔性奈米碳管的陽極材料
固體的石墨陽極無法提供足夠的空間讓鋰離子進入，此正是充放電容量不易增加的主因。藉由奈米碳管自身重量輕，且中空的多孔隙結構取代固體石墨陽極，提供鋰離子更大的空間進入陽極，使充電容量獲得改善，解決電池的續航力問題。

3. 無機奈米混合物隔離膜
隔離膜主要功能是允許自由離子通過，又要隔絕陰陽極間電子流的通過，避免短路引發電池爆炸的危險。無機奈米混合物(Inorganic Composite Membranes)正是隔離膜最佳選擇，利用溶膠-凝膠法(sol-gel)技術將奈米顆粒無機金屬氧化物結合在不織布纖維墊材上，擁有極佳的熱安定性與尺寸穩定性，也藉由奈米級孔洞來隔阻電子流短路的問題，提升電池的使用安全。

電動車不是一個嶄新的名詞，但隨奈米化學材料之引入，改善電動車關鍵零組件：二次鋰電池之各項效能，因此讓電動巴士於2012年成為推動環保與低碳運動的尖兵。（本文由國科會補助｢新媒體科普傳播實作計畫─電機科技新知與社會風險之溝通｣執行團隊撰稿）
責任編輯：楊谷洋｜國立交通大學電機工程學系

氧化還原(19) 科發月刊(5210)

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