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| RD 專欄 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 從專利技術看電動車電池的未來 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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電動車日益受到大眾的關注，可能有些人已經開始考慮買一輛試試的可能性。不過最近備受矚目的卻是一連串負面消息，舉例來說，連續多起的火燒車事件，讓Tesla Motors的市值因此狂跌40億美元。這些意外事件都是因為電動車經碰撞之後，造成所裝置的鋰離子電池破裂起火所致。因此，鋰離子電池的安全性再次引發消費者的疑慮。在這之前，手機或筆記型電腦因鋰離子電池溫度過高，導致起火燃燒的事件也是時有所聞。事實上，鋰是一種活性極高的元素，甚至可以在空氣中自燃，鋰離子電池的過度放電或破裂，都會生產大量的氧化鋰引發燃燒。所以，一般來說，航空公司並不接受鋰離子電池的托運。 電動車的成敗關鍵：電池 不論是屬於大量應用的Tesla電動車或是各位隨身攜帶的手機，其所使用的鋰離子電池都是業界標準型號18650之鈷酸鋰離子電池（註1），它的能量密度（每千克電池所能儲存的電量，電量以瓦小時為單位）為每千克150－250瓦小時，比起傳統鎳氫電池的每千克100瓦小時，要高得多！所以它能以更小、更輕的電池，提供更長的電池續航時間。因此，鋰離子電池才能取代鎳氫電池，成為市場的主流。 石油的日益匱乏、地球溫室效應問題的解決，種種因素讓電動車的發展與成長，隱隱然蓄勢待發。電動車的優點包括：
但它有幾個致命的缺點，也讓它一直無法順利的擴大市場規模：
而售價太高也是因為電池單價遲遲無法有效降低、且所需電池數量龐大所導致，就以目前最受肯定的Tesla Model S為例，就需要5,920顆18650電池。由於技術上的突破，Model S充滿電的續航力可達426 公里。但這是特例，一般像Nissan Leaf，即使使用特殊規格車用鋰離子電池，但因電池單價太高，且車載電池容量有限，使它的續航力只有120～160 公里。若想要早日享受說好的電動車承諾帶給我們的美好未來，看來我們就必須儘早突破電池的技術障礙。惟駕駛與乘坐車輛的安全性，無論如何應該要擺在第一位，因此我們在這之前還應該優先考慮：如何大幅提升目前電動車電池的安全性。 Tesla的電池保護技術 電動車的火燒車主要都是因為碰撞之後造成電池包（battery pack）破裂，電解液外漏引發起火；或是過度充電或放電，造成內部或外部短路而燃燒。我們可以藉由電動車中最被看好，也已經開始轉虧為盈的帶頭大哥Tesla公司，所獲證的專利技術，來看看他是如何確保其電池系統的安全。 在US 8,393,427中我們發現Tesla Model S的電池保護系統包括：
為了節省空間，Tesla將電池包設計成平板狀，並且附加在車廂底板下，形成車輛底盤的一部分。因此，必須為它特別設計一個保護罩，強化其安全性，這個保護罩由上蓋板、下蓋板，以及若干個側邊保護材料組成，整個保護罩與車同寬，有兩側鎖緊固定（如圖一）。
保護罩內部以玻璃纖維或水等容易吸收熱能的材質做成的隔離板，分隔成7個分區，每個分區可安置2個電池包，每個電池包內有370顆電池；保護罩頭部位於兩側前輪之間為附加分區，以上下疊加的方式，也安置2個電池包，總共容納5920顆電池（如圖二）。 保護罩內加裝隔離板不僅增強底盤的支撐力道，而且可將損害控制在其分區內，不會波及其他分區，而這些特殊材質的隔離板同時成為保護罩內部的散熱冷卻系統。
由於電池包保護罩已經成為車輛底盤的組成部分，不只要有足夠的向上支撐力度，同時也要能抵禦路面突出與障礙物的撞擊以及石頭等的飛射。為了進一步安全起見，也就是為了加強保護電池包保護罩，Tesla公司在保護罩下蓋板之下，又加裝了一層強化的防護盾，將路面上可能會有的損害，全隔離在保護罩之外。防護盾與電池包保護罩之間至少間隔5毫米，這個間隔內可以留空，也可以填入特殊物質增加緩衝；填入的緩衝物質可以全部填滿，也可以是波浪造型，提高緩衝應力，就像保護雞蛋的裝蛋墊（如圖三）。
看到這麼周密的設計，一層又一層的保護機制，我們不禁納悶：那怎麼會接連的發生火燒車事件呢？這得回到文章開始我們提到的，Tesla Model S所採用的5,920顆標準型的18650鋰離子電池，這是所有問題的關鍵。再怎麼精心設計，所用的材料還是有其物理限制，更何況又要盡可能的減輕車子的重量，能供選擇的材料就相當有限了。因此，在特定情況下，防護盾與保護罩破裂導致電池中電解液外漏，在高溫下起火也就不足為奇了。 這要怎麼解決呢？讓我們以系統化研發創新方法中，最著名的TRIZ（Theory of Inventive Problems Solving，『發明問題的解決理論』）的解題手法觀之：電池能提供驅動車子前進所需的續航力，所以電池越多越好；同時因為電池本身的重量會減低其續航力，所以電池越少越好。這在TRIZ中稱為『物理矛盾』：也就是，『既要有（增加）電池，又要沒有（減少）電池』。 TRIZ的核心理念是：『尋求最理想解，絕不妥協或擇其一』，它對於解決物理矛盾提出的解決原則是：隔離/分離（separate）或是轉為『技術矛盾』。TRIZ所稱的『技術矛盾』是指：『改善了參數”A”，便導致參數”B”的惡化，反之亦然』。TRIZ理論分析了20萬件專利（後來增加到3百萬件），歸納出39個參數以及40個發明原則。運用TRIZ解決問題的基本思維是：將你的特定問題一般化（抽象化）成標準問題；運用TRIZ的解題手法找出標準解；最後將標準解具體化成你的特定問題的理想解決方案。 我們將電動車電池的物理矛盾抽象化後，轉化為技術矛盾：改善『移動物體活動持續時間』，同時不使『移動物體重量』惡化；或是改善『移動物體使用的能源』，同時不使『移動物體重量』惡化。查詢TRIZ的『矛盾矩陣』如表一：
我們選取重複出現的發明原則31作為解題思維的指引，發明原則31為：『多孔性材料』（Porous Materials），也就是尋求所謂『多孔性材料』來替代液態的電解液。因此，我們可以選取具有網紋狀的聚合物，像是聚乙二醇或聚丙烯腈等類似性質的複合材質，作為中間的隔膜，把電池的正極與負極隔開，讓鋰離子Li+可以通過而電子e-不能通過，就行了。 如此一來，在充電狀態下，正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向負極遷移；到達負極的鋰離子就嵌入到電池負極碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。反過來，在放電過程中，負極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷移。原先嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。 電動車電池的創新發展 理論上如此就能解決問題，那在實務上，我們又該怎麼做呢？我們依然可以從龐大的專利資料庫中，吸收學習前人的智慧精華，找到解決方案。例如，在筆者找到的一項美國專利中，就載明：『...以固態的網狀薄膜，裝載著膠狀物質，而在兩者之間包含有陰離子界面活性劑，此膠狀物質可以是聚氯乙稀和聚苯乙烯以一定比例（1:0.05 ~ 1:0.6)所形成的聚合物。...』（如圖四），其他實施細節，像：溶劑、表面活性劑、相分離液、...等組成成分、比例，也都在說明書中充分揭露，成為我們最佳的學習教材與實例指引。 當然，這不是出自發明人或專利權人致力科普的善心善行，是法律明文規定專利說明書必須做到如此清晰可輕易複製的程度才能獲證。同理，Tesla在它的專利裡也要清清楚楚的告訴我們，他的電池包保護系統與機制是如何設計、如何運作，才能達到保護目的的。 這樣做出來的固態電解質的鋰聚合物（Li-Polymer)電池，可以大幅度的提高安全等級，即使受到強烈撞擊，也不會起火燃燒，甚至受到22,000磅重的高壓或是以鐵釘刺穿，依然能繼續提供電力，不會導致異常高溫，更不會短路爆炸（如圖五）。 鋰聚合物電池不僅是提供相當安全的行動電力來源，而且因為它不需要厚重的金屬外殼，也沒有散熱的顧慮，再加上採用薄膜式設計，它能帶來諸多好處：
因此，從手機到電動車，大到整棟大樓的電源供應，都有它用武之地。這些都不意外，而更令人期待的應該是：由於它的輕、薄、可任意塑型，讓它很適合用在可穿戴式裝置（wearable devices)上，不論是眼鏡、手錶／手環、運動鞋甚至隱藏在衣料裡。在人們看不到的角落裡，默默地供應電力；如果再加上無線充電技術的普及，一個美麗新世界正在不遠處等候著我們。 『充電』會是另一個棘手的問題，即使蓋了夠多的充電站，電動車充電時，造成附近區域瞬間電壓下降，也是電動車要大規模商用前，必須妥善解決的關鍵議題。相對於電池能持續的穩定供電，電動車同時還需要，能瞬間提供的尖峰用電，例如在啟動、加速、爬坡時。所以，我們還需要更好的超級電容、電池管理系統（BMS）...等。這諸多議題，目前都有一些解決方案，可能還不夠好；或者，還是妥協下的產物，還有待科技人員更努力尋求突破與創新。在後續的文章裡，我們會嘗試以TRIZ等系統化創新機制與手法，針對這些關鍵議題，找出不需妥協的最終理想解決方案（Idea Final Result)，再來進行後續報導。 愛迪生說：『我並沒有失敗，我已經成功的找到1萬種不適合用來做電燈泡的材料！』。這就是研發人員堅持的信念與使命，沒有這樣的信念，很難在一片充滿叢林、險阻的荒原上找到或是親手開闢出通往美麗新世界的道路。我六歲的兒子前不久告訴我：『不是只有力量和思考的深度，還有速度，而且「速度」更厲害』。真不知道小腦袋瓜是怎麼長的，不過，他還真點出來在這個跟主要競爭對手對比，『輸很大』的當前情勢中，台灣的自我救贖之道，也就是研發與創新。
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