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快速充電不是夢 MIT打造電動車電池新材料
 

【CTIMES/SmartAuto 鍾榮峰 報導】   2011年06月08日 星期三

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美國劍橋麻省理工學院(MIT)近日公佈一項可能撼動當前電動車發展的最新研究成果。MIT材料科學系的研究團隊,已成功研發出具有高度可替代性的新一代電池材料與架構,不僅重量輕薄且成本低廉,還更能夠像傳統汽車加油一般,在幾分鐘之內快速且簡易地完成充電,可望成為電動車和智慧電網電池的最佳方案。

在實驗瓶中黑色呈現黏稠狀的物質,便是可以產生高能量的半固態液流電池材料。 BigPic:414x450
在實驗瓶中黑色呈現黏稠狀的物質,便是可以產生高能量的半固態液流電池材料。 BigPic:414x450

不同於一般鋰離子(lithium-ion)和鋰聚合物電池內的電解質採用固態材料的設計,這款新電池架構是以半固態的液流電池芯(semi-solid flow cell)為核心,電池芯內的固態顆粒是懸浮於液態媒介物中,透過電池系統的唧筒運動產生電能。在設計上,電池內主動元件的正極(anodes)和負極(cathodes)材料,就是由電池芯中電解液(liquid electrolyte)的懸浮顆粒所組成。這兩個不同的懸浮液是由具滲透性的多孔離子薄膜(thin porous membrane)隔離開來,透過唧筒運動產生電能。

這個半固態懸浮物看起來有點像淤泥,流動起來類似於黑色的黏稠物,由於被認為最終將可替代石油運輸工具,因此研究人員戲稱為「劍橋原油」(Cambridge crude)。

這個電池架構最值得注意的特點,在於設計上把儲存所需電能以及釋放所要電能這兩大電池功能分別開來,由不同的物理架構作為基礎。這有別於傳統電池把儲存和釋放電能放在同一架構上運作的設計。這樣的隔離設計可讓電池更加發揮效能。

這樣的新設計架構可大幅減少包括機構和連接器等電池系統的尺寸和成本,預計可縮小50%左右。因此有效提昇了電動車與一般汽油和柴油引擎汽車的競爭力。

另一方面更具潛在優勢的特點是,在往後的電動車應用上,這款新電池架構能夠讓電動車快速充電不再是遙遠的夢想,藉由唧筒抽吸電池芯的泥漿狀電解質,重新灌注新的泥狀物,就能夠全面完成充電作業。或者,只要時間允許,這樣的充電作業就像在賽車場加油修理處更換或為輪胎充氣一般地簡易且熟悉。

液流電池(flow battery)技術其實已經存在一段時間,不過以往液流電池的能量密度(energy density)都不高,通常只能儲存一定量的電能。因此,就同樣的電能供應量來說,既有液流電池比起燃料電池(fuel cell)需要更多的空間,液流也需要更為快速的唧筒運動,效能反而不見起色。

MIT所開發出來的半固態液流電池材料,可以克服上述侷限。相較於目前液流電池,半固態液流電池材料可大幅增加高達10倍的能量密度,在製程成本上也比既有的鋰離子電池還要來的低。也因為這個半固態液流材料的能量密度夠高,所以不需要藉由快速的唧筒運動來輸送電能。

關鍵點在於,MIT的半固態液流電池材料,是降低電池芯的既有固態材料、而透過液態懸浮物中更細微的顆粒材質,藉由類似流沙可像液體般流動的特性,來帶動更多的固態顆粒。這樣的技術巧妙地結合了既有水樣態的液流電池(aqueous-flow battery)架構、以及已被證明可用的鋰離子電池化學特點。而MIT的半固態液流電池設計架構,不侷限於採用特定的化學材料,研究團隊仍持續開發其他可用的化合物。

除了可應用在電動車領域外,這款電池系統也能在低成本的條件下增大尺寸,因此也可適用於大規模電力儲存基礎設施和備援系統,進而讓間歇性且無法預估的風力和太陽能電力供應更加穩定,以積極落實智慧電網架構。不過,半固態液流電池可能較不適用於工具機和需要用高電壓產生短脈衝的應用,在這些領域反而A123超級鋰電池較為適合。

因此,MIT不以能重新發明可充電電池而自滿,而更以打造新電池系統為職志。這項具突破性的研究成果,是由MIT材料科學系的Mihai Duduta和研究生Bryan Ho、在W. Craig Carter和Yet-Ming Chiang(蔣業明)教授的指導下完成的,初步研究成果已在5月20日於新能源材料(Advanced Energy Materials)雜誌上刊出,共同作者還包括客座研究員Pimpa Limthongkul、博士後研究員Vanessa Wood和研究生Victor Brunini。W. Craig Carter和Yet-Ming Chiang以及企業家Throop Wilder已經成立一家名為24M Technologies公司,擁有半固態液流材料技術的專利,從創投公司和美國聯邦研究基金中,已經取得1600萬美元的投資資金,美國國防部轄下先進研究計畫署(DARPA)和國家級能源開發機構ARPA-E也是半固態液流電池材料技術的贊助者。

關鍵字: 電動車  flow battery  智慧電網  MIT  電池 
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