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Take Home Message
• 電動車自20 世紀初開始發展、在過去因電池能量密度遠低於汽油，導致續航力不足而敗給汽車。直到鋰離子電池發展後，才逐漸有了競爭力。
• 1859 年鉛酸電池問世，但成為電動車使用的二次電池，而後又陸續出現鎳鎘、鎳氫電池、鋰離子電池，電池的能量密度與循環壽命也不斷提升。
• 電池安全性是電動車發展的關鍵。針對熱失控風險，業界採用多重保護措施，包括電路保護板、阻燃外殼、改良電解液等，使現代電動車安全性不亞於汽車。

自工業革命以來，數百年的碳排放對當今氣候帶來顯著影響。大氣環境持續增溫、極端氣候出現的頻率加速，此情況在汽車開始大行其道的20 世紀後半更加明顯。

汽車所使用的石化能源是由過去地球上的生物在億萬年間的光合作用下，吸收空氣中的碳元素而沉積，也造就了今日適合人類居住的低碳大氣環境。根據近代各種科學數據顯示，人類如果持續使用石化能源，將逐漸使現在的大氣環境改變回過去――回到充滿著含碳氣體，人類無法生存的大氣環境。

汽車與電動車的競爭

在21 世紀，人類無法避免生活型態的轉變，全面地將能源轉換至非碳電能，並以綠色載具的電動車逐漸取代汽車。電動車的回歸暗示著人類逐漸覺醒、邁向零碳排放，同時也是維護大氣環境的一項重要的永續行動。為什說是回歸呢？電動車及汽車均出現在19 世紀末，不過電動車的研發歷史略早於汽車。電動車初期的電力是由地下埋設或是高空架設的供電系統供應，隨著19 世紀末電池產業逐漸成熟，無軌無線、以電池供電的電動車也逐漸被開發。電動車和汽車的組成架構除了動力系統外，基本上大同小異。而動力系統大致上包含能量儲存、能量補充、動力轉換、動力控制四項結構。

20 世紀初期電動車與汽車的競爭中，電動車僅在「能量儲存」項目落後，其他方面皆具備了技術優勢和使用方便性（表一）。但由於汽車的汽柴油及油箱能量儲存，為同重量電池的600 倍能量，約為47 百萬焦耳／公斤（MJ/kg）和 0.08 ～0.12 MJ/kg，縱使汽車所使用的內燃機受限於熱力學卡諾循環（Carnot Cycle）〔註〕效率限制，導致它的能量利用效率極低（約4％），但汽車的實際有效行駛里程仍為當時電動車的15 ～ 25 倍。於是汽車挾著里程上的壓倒性優勢，成為20 世紀四輪車輛市場的主流，而電動車的身影逐漸減少。

〔註〕蒸汽機、內燃機或壓縮機利用氣體因膨脹或壓縮，而吸收或放出能量的循環。

隨著20世紀末電池及材料技術的大幅進步，開發出二次鋰離子電池（簡稱二次電池），電池能量密度因而有了級數上的增長，電動車的有效行駛里程也大幅提升。進入後21 世紀後，二次高能鋰電池漸趨成熟，使電池的安全性及能量密度再次躍進，也讓電動車能夠直接與汽車競爭，甚至逐漸取代汽車。以下將為讀者詳細介紹二次電池、二次高能鋰電池。

電動車電池技術的改變

電動車的二次電池其實就是一個可逆（可往返）、需要使用外加電路的電化學反應器，且在可逆反應的往返過程中，能直接吸放電能。二次電池的基本結構可分為正極材料、電解液、隔膜、負極材料和外殼（圖一）。電解液和隔膜居中，隔膜可將負極材料和正極材料分隔開來，物理性隔離及電性的絕緣能避免兩者因直接接觸而發生反應（也就是內部短路）。離子導電的電解液則可以透過電化學的巧妙設計，將反應中的離子途徑和電子途徑分開，與外電路形成完整的導電迴路，並將導電迴路中的外部電路電阻與電池內部電阻的比例極大化，使得反應產生的絕大部分能量，能經由電子以電能的形式釋放到外電路。此種形式的電能釋放效率大於70％，遠超過汽柴油在現代引擎內燃燒後轉換成動能的效率（20 ～30％）。

圖一｜二次電池的基本結構
（資料來源：作者提供）


鉛酸電池（Adobe Stock）

1859年，法國物理學家普蘭特（Gaston Planté）發明了第一個二次電池――鉛酸電池，它目前在二次電池的市場占有率最高。目前所有電動車電池的技術研發都依循增加能量密度及壽命的路線發展。若以鉛酸電池現有能量密度約36 瓦時／公斤（Wh/kg）做比較，使用後來發明的鹼性電解液的鎳鎘電池及鎳氫電池，能量密度則可增加40％，約為45 Wh/kg；而使用有機溶劑電解液的鋰離子電池，能量密度則能夠増加約三倍 ……【更多內容請閱讀科學月刊第662期】