电动车电池（一）：材料演变与应用型态

电池是将电能或其他能量先转化成化学能用以储存能量，使用时再将所储存化学能转化成电能的电化学（electrochemistry）机构。

电池的主要结构有3个部分：负极（anode）、正极（cathode）以及电解液（electrolyte）。电解液的功能是分隔负极与正极，并让带有电荷的电子和离子于负极与正极之间穿梭流动。

电池自问世至今已超过160年，其样态历经过4种主要的材料：铅酸（lead acid）、镍氢（Nickel Metal Hydride；NiMH）、斑马（ZEBRA，Zero Emission Battery Research Activity；NaNiCl2，主要成分是钠、镍、氯）以及锂离子（lithium ion）电池。

铅酸电池现在还在服役，就是常见的汽车用以点火启动电池。但是我们要谈的电动车电池（Electric Vehicle Battery；EVB）是牵引（traction）用的，基本上是输出力、驱动马达、拉动电动车，与点火用电池的结构和设计略有不同。

锂离子电池的大量应用则自然是从手机的移动应用开始，主要考量当然是其轻盈可携，之后这个好处就自然的被引入电动车电池的应用。

从这电池系列的演化轨迹，我们发现了一个有趣的趋势。如果把各种电池主要的金属材料的原子序标出的话，依序是82、28、11、3。这代表整个产业对电池金属材料的演化是一心一意朝向轻盈的方向迈进。

事实上，锂已经是最轻的金属，比它轻的元素只有氢和氦，全是气体，也不是金属，无法当成电极来导电。

一个完整的电动车电池由几千个电池单元（cell）组成。先是由3、4百个电池单元串联和并联的方式组成1个电池模块（module），十几个模块再组成1个电池组（pack）。以Tesla Model 3为例，其电池组就由7、8,000个单元组成。

每个模块中有冷却机制（cooling mechanism），并且用电池管理系统（Battery Management System；BMS）监控电池的健康状况（State Of Health；SOH）：包括温度和电压等，以维持电池在安全的参数区间内工作，并监控充电状况（State Of Charge；SOC）。一旦电池的温、压异常，电池上的保险丝会熔断，以维护系统安全。通常电压异常和保险丝熔断是电池需要更换的2个主要原因。

评估电动车电池对应用的妥适性时，有6个重要的指标：比能量（specific energy）、比功率（specific power）、生命周期（life span）、性能（performance）、安全性（safety）与成本（cost）。

这里的比能量指的是每公斤电池能储存多少的能量；比功率是电池在每单位时间内能输出多少能量。前者牵涉到电动车能走多远，而后者则关于电动车能跑多快。生命周期指电池能充放电的次数，佐以电动车平均使用频率，也可以粗估电池使用年限。安全性的考虑主要是在高热、升温的环境下，或者电池遭撞击、刺穿的状况下，锂离子电池容易燃烧、爆炸。性能的考量较多样，包括充电速度、低温使用等特性。成本毋庸说明，目前锂离子电池在量产日增的条件下，价格快速下降。但是未来势必面对临锂矿逐渐枯竭的状况，成本进一步继续下降面临挑战。

比能量是电动车能上路的基本考量，这决定一定重量的电池能让电动车行走多远？这是每一部能上路的电动车都要挂心的事，反过来这又决定1部电动车需要携带多少重量的电池？如果电池重量本身占整部电动车重量的比例过高，能搭载的重量就很受限，毕竟电池的能量很大一部分是用来携带电池本身的重量。目前锂离子电池的比能量约在120~180 Wh/kg之间，这是所有型态电池目前所能达到最好的数值。

这6个因素在不同应用时需要针对应用均衡的考虑。目前对电动车电池应用工程实务的做法是稍微妥协比能量和比功率（因为稍有余裕），以换取较快的充电速度、较长的生命周期以及较高的安全性。

将锂离子电池应用于电动车上的表现如何呢？目前进展状况是，以Tesla Model 3为例，一部1.5吨的电动车携带400kg的电池大约可行驶400公里以上，30分钟内可以充满80%以上的电能，但是电池重量大约占电动车总重量的3分之1！而上述的车行距离、电池重量、充电速度等数据，只能说是堪称勉强满足需求。

锂已经是原子序最小的金属，轻无可轻。因此如何改进电池中的其他材料，譬如电极材料、电解液、催化剂等成分，以及电池的结构和控制等因素，以提高电池储存电力、电化学能转换效率，是目前电池研发重点。