與 Tesla 有合作關係的加拿大戴爾豪斯大學(University of Dalhousie)學者 Jeff Dahn,在國際著名的學術期刊《Joule》,發表了一篇名為《Cycling Lithium Metal on Graphite to Form Hybrid Lithium-Ion/Lithium Metal Cells》的學術文章,闡述如何運用「Hybrid」增程型的純電池技術,來延長電動車的續航力里程。

增程型動力有聽過,但純電池的增程型動力是什麼?

相信網友對於增程型動力應該有相當的認識,例如先前的 BMW i3 Rex 車款,透過內部搭載一具小排氣量的燃油內燃機,發電供給至電池組,提供電池組低電量或沒電時、得以延長行駛里程的方案。而由 Jeff Dahn 所發表的 Hybrid Lithium-Ion/Lithium Metal Cells(鋰離子/鋰金屬混合型電池),則是在純電池狀態、沒有搭配任何內燃機或額外能量輔助的情況下,達到增加續航力的技術,這到底是怎麼辦到的?

由於該篇學術文章的篇幅相當多,筆者僅就原理層面進行分析,較為技術面細節的內容待日後有機會再詳細介紹。首先,Hybrid Lithium-Ion/Lithium Metal Cells 鋰離子/鋰金屬混合型電池的主要概念,是在電池組內,提供有 Lithium-Ion 與 Lithium Metal 兩種化學能量模式,再藉由不同模式的循環,達到比傳統鋰離子電池更長的續航力效果。

Hybrid Lithium-Ion/Lithium Metal Cells 鋰離子/鋰金屬混合型電池的主要概念,是在電池組內,提供有 Lithium-Ion 與 Lithium Metal 兩種化學能量模式,再藉由不同模式的循環,達到比傳統鋰離子電池更長的續航力效果。(圖片為示意)

聽起來很複雜,簡單來說,電池在 Lithium-Ion 鋰離子模式下,擁有較低的能量密度,但同時也擁有較高的使用次數壽命(循環充電次數),以及較低的衰退表現,而鋰離子電池則是目前全世界電池的主流技術,包括電動車使用的 18650 或 21700 電池,都是以鋰離子為基礎的化學能電池。

近年來,研究人員發現將鋰電池的內的電極換成石墨等材料,以及改變內部電解溶液,可以大幅提升能量密度,達到能量增加的效果,但卻會降低使用次數壽命(循環充電次數)的不良影響,同時電池衰退程度也會加快。

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Jeff Dahn 研發的 Hybrid Lithium-Ion/Lithium Metal Cells,則是將兩個不同的化學能量模式,設計在一個電池組裡面,聽起來好像很容易,但其實技術上有相當多的困難需要克服;而最終,Jeff Dahn 將成果發表在期刊上,根據期刊內的描述,新的混合電池預計可將電動車續航力增加至 480 公里以上(主流級距)。

Jeff Dahn 也指出,這種新的鋰離子/鋰金屬混合型電池,在一般的鋰離子狀態下,能量密度較一般鋰離子更低些,這是雙模式電池的代價,不過鋰金屬模式可提供駕駛人延長續航力的選項。

混合式電池在一定程度的電量(例如 80%)下,是以鋰離子模式運作,此時就和普通的電池無異,續航力可能約莫在 325 公里左右,但是當要出遠門之前,先將電池充飽至 100%,則會進入鋰金屬模式,會多出 155 公里的續航里程。(圖片為示意)

舉例來說,混合式電池在一定程度的電量(例如 80%)下,是以鋰離子模式運作,此時就和普通的電池無異,續航力可能約莫在 325 公里左右,但是當要出遠門之前,先將電池充飽至 100%,則會進入鋰金屬模式,會多出 155 公里的續航里程,達到多數平時在鋰離子模式(較多循環壽命)、短暫需要高續航力時進入鋰金屬模式,可以將之想像類比為電池增程或 Boost 模式。

兼顧長使用壽命(充電循環次數)、較低的電池衰退、以及額外的增程里程模式,是 Hybrid Lithium-Ion/Lithium Metal Cells 的特色,綜合來看,其融合兩種化學形式的主要優點,透過科技的方式增加電動車的續航力,若此技術在日後成功商業化,可能將會改寫現有的電池產業生態。