美国剑桥麻省理工学院（MIT）近日公布一项可能撼动当前电动车发展的最新研究成果。MIT材料科学系的研究团队，已成功研发出具有高度可替代性的新一代电池材料与架构，不仅重量轻薄且成本低廉，还更能够像传统汽车加油一般，在几分钟之内快速且简易地完成充电，可望成为电动车和智能电网电池的最佳方案。

在实验瓶中黑色呈现黏稠状的物质，便是可以产生高能量的半固态液流电池材料。 BigPic:414x450

不同于一般锂离子（lithium-ion）和锂聚合物电池内的电解质采用固态材料的设计，这款新电池架构是以半固态的液流电池芯（semi-solid flow cell）为核心，电池芯内的固态颗粒是悬浮于液态媒介物中，透过电池系统的唧筒运动产生电能。在设计上，电池内主动组件的正极（anodes）和负极（cathodes）材料，就是由电池芯中电解液（liquid electrolyte）的悬浮颗粒所组成。这两个不同的悬浮液是由具渗透性的多孔离子薄膜（thin porous membrane）隔离开来，透过唧筒运动产生电能。

这个半固态悬浮物看起来有点像淤泥，流动起来类似于黑色的黏稠物，由于被认为最终将可替代石油运输工具，因此研究人员戏称为「剑桥原油」（Cambridge crude）。

这个电池架构最值得注意的特点，在于设计上把储存所需电能以及释放所要电能这两大电池功能分别开来，由不同的物理架构作为基础。这有别于传统电池把储存和释放电能放在同一架构上运作的设计。这样的隔离设计可让电池更加发挥效能。

这样的新设计架构可大幅减少包括机构和连接器等电池系统的尺寸和成本，预计可缩小50％左右。因此有效提升了电动车与一般汽油和柴油引擎汽车的竞争力。

另一方面更具潜在优势的特点是，在往后的电动车应用上，这款新电池架构能够让电动车快速充电不再是遥远的梦想，藉由唧筒抽吸电池芯的泥浆状电解质，重新灌注新的泥状物，就能够全面完成充电作业。或者，只要时间允许，这样的充电作业就像在赛车场加油修理处更换或为轮胎充气一般地简易且熟悉。

液流电池（flow battery）技术其实已经存在一段时间，不过以往液流电池的能量密度（energy density）都不高，通常只能储存一定量的电能。因此，就同样的电能供应量来说，既有液流电池比起燃料电池（fuel cell）需要更多的空间，液流也需要更为快速的唧筒运动，效能反而不见起色。

MIT所开发出来的半固态液流电池材料，可以克服上述局限。相较于目前液流电池，半固态液流电池材料可大幅增加高达10倍的能量密度，在制程成本上也比既有的锂离子电池还要来的低。也因为这个半固态液流材料的能量密度够高，所以不需要藉由快速的唧筒运动来输送电能。

关键点在于，MIT的半固态液流电池材料，是降低电池芯的既有固态材料、而透过液态悬浮物中更细微的颗粒材质，藉由类似流沙可像液体般流动的特性，来带动更多的固态颗粒。这样的技术巧妙地结合了既有水样态的液流电池（aqueous-flow battery）架构、以及已被证明可用的锂离子电池化学特点。而MIT的半固态液流电池设计架构，不局限于采用特定的化学材料，研究团队仍持续开发其他可用的化合物。

除了可应用在电动车领域外，这款电池系统也能在低成本的条件下增大尺寸，因此也可适用于大规模电力储存基础设施和备援系统，进而让间歇性且无法预估的风力和太阳能电力供应更加稳定，以积极落实智能电网架构。不过，半固态液流电池可能较不适用于工具机和需要用高电压产生短脉冲的应用，在这些领域反而A123超级锂电池较为适合。

因此，MIT不以能重新发明可充电电池而自满，而更以打造新电池系统为职志。这项具突破性的研究成果，是由MIT材料科学系的Mihai Duduta和研究生Bryan Ho、在W. Craig Carter和Yet-Ming Chiang（蒋业明）教授的指导下完成的，初步研究成果已在5月20日于新能源材料（Advanced Energy Materials）杂志上刊出，共同作者还包括客座研究员Pimpa Limthongkul、博士后研究员Vanessa Wood和研究生Victor Brunini。W. Craig Carter和Yet-Ming Chiang以及企业家Throop Wilder已经成立一家名为24M Technologies公司，拥有半固态液流材料技术的专利，从创投公司和美国联邦研究基金中，已经取得1600万美元的投资资金，美国国防部辖下先进研究计划署（DARPA）和国家级能源开发机构ARPA-E也是半固态液流电池材料技术的赞助者。