電池技術再突破-【充得更快、跑得更遠】
相較於歐美先進的電車技術,日本其實更著重在於電池的研究與開發,身為純電動車的心臟、唯一的動力來源,其重要性更還可能大於車身零件,而就在幾日前,日本製車大廠-豐田(TOYOTA)發布了最新研發的固態電池,聲稱能在短短十分鐘內就充飽電,且電力能持續行駛1200公里,如此驚人的電池效率足足是目前電池的好幾倍,發布會當日也聲稱今後將著手進行量產技術的研發、以解決該電池的高成本問題,並把目標設訂在2027-2028年時將固態電池實用化。電池的演進豐富了人們的生活,今天就讓我們小聊一下,從過去到現在的"電池"的演化路線。
18世紀的開山始祖-伏打電堆
如果跟你說電池的發明其實跟兩條青蛙腿有關,你可能會有點疑惑,追朔到18世紀末,物理學家亞歷山德羅·伏特在解剖青蛙時,發現青蛙腿部的神經元在碰觸到金屬時會使蛙腿產生抽動,伏打發現這個現象後,選擇在不同的日子、不同的時間並使用不同材質的金屬,把同樣的實驗重複做了一邊又一遍,再把不同的金屬依照蛙腿的反應由高往低排列,得出了鋅-鉛-錫-鐵-銅-銀-金的次序,在幾年以後,伏打使嘗試用吸取了鹽水的紙片模擬青蛙體內的電解質,並使用鋅片與銅片夾著紙片,著名的伏打電堆就這樣出現在世人的眼前。
持續放電的先驅-丹尼爾電池
伏打電堆發明後的36年,英國科學家丹尼爾注意到了伏打電堆容易產生氫氣的問題,為了解決問題,丹尼爾透過混和兩種電解液來改進現有的"電池配方",並一併將伏打電堆無法長時間傳輸電力的缺點進行改進,因此發明了能長時間持續穩定輸出1.1V的"丹尼爾電池",這種伏特數較小的電池後來被廣泛使用於電報、電話與門鈴等小原件,甚至到了被發明後的100年都還在家中流行。
會呼吸的電池-燃料電池
電池會產生電,其原理是電子與離子在兩種不同金屬之間透過電解液進行移動,因而產生電,當金屬的離子與電子被消耗完後,若不更換電池中的金屬成分,電池就會沒電,而燃料電池就不太一樣了,是以氧化反應進行發電,1839年,英國物理學家威廉·葛洛夫製作了首個燃料電池,該電池只需消耗氧氣與"燃料"(如氫或甲醇),就可持續發電,且過程中只會產生少量的水以及極少量的二氧化碳,已經發明超過一百多年的燃料電池,現在已成為環保電池的指標。
汽車啟動的關鍵-鉛酸蓄電池
現在依舊能在車上看到的"鉛酸蓄電池",其實早在1859年就被發明,只是當時的樣子放到現在,你可能不知道它的構造跟你現在車上的電池十分相似,早期的模型是兩片被亞麻織物隔開的純鉛,浸漬在裝有硫酸溶液的玻璃瓶中,這是當時第一種實用型的可充電電池,1881年,卡米爾·阿方斯·福雷在此基礎上開發出了一種更可靠有效的蓄電池,在早期的電動汽車中取得了巨大成功。
從濕式到乾式-碳鋅電池
1880年代,大多數的門鈴透過Leclanché濕式電池進行觸發,但該電池中的電解液常常因為乾涸導致無法作用,為了解決這個不便,一位德國醫生卡爾.加斯納透過在氯化銨中加入澱粉使之膠化,不只解決電解液容易乾涸的問題,還使電池的攜帶變得更為方便,這種乾電池在現代多用於遙控器等小型電子產品。
小型充電電池先驅-鎳鎘電池
鎳鎘電池是一種使用金屬鎘為材料的充電式電池,最早於1899年由瑞典的發明家-渥德莫‧甄格所發明,在鎳鎘電池出世以前,大型的鉛酸電池是當時唯一的可充電蓄電池,可惜的是該電池在美國基本上不為人知,直到托馬斯·愛迪生將鎳鐵電池引入美國,並調整了電池設計後,1946年美國才開始量產鎳鎘電池。
改變電器生態-鋰離子電池
1970年代,人們逐漸意識到地球的資源有限,不可能無止盡的開發,因此開始投入新能源的研發,當時的科學家惠廷翰採用硫化鈦作為正極材料,金屬鋰作為負極材料,製成出世界首顆鋰離子電池的雛形,到了1991年日本SONY成功開發出商用的鋰離子電池,該電池的實用化大大縮小了各種行動裝置的大小與體積如:手機、筆記型電腦、相機等的設備,且鋰離子電池不含重金屬,更減少了許多對環境的汙染。
一顆小小的電池,卻改變了人的生活方式
電池的出現與發展雖然只經過一百多年,卻已徹底改變了我們的生活方式。從日常生活中的移動電子設備到電動汽車的普及,電池已經成為我們生活中不可或缺的一部分,隨著科技的進步,電池的能量密度持續提高,續航能力也越來越長,這使得人們更能隨時隨地使用各種行動設備如智能手機、平板電腦和無線耳機,從而豐富了我們的日常生活。
而不只是行動裝置的普及,電動汽機車也成為實現永續發展的一個重要里程碑,透過先進的電池技術實現了零排放和高效能源利用,為環境保護和空氣品質改善做出了重要貢獻,隨著這次TOYOTA所釋出的新型固態電池,我們可以期待電池技術能在未來繼續為我們創造更美好、更環保的生活。