藍色情懷

以空氣為燃料，充電電池續航力增加十倍

Air-fueled battery could last up to 10 times longer

May 18th, 2009

一種新型的、以空氣為燃料的電池（air-fuelled battery）所提供的能量儲存量為目前可用設計的十倍。

A new type of air-fuelled battery could give up to ten times the energy storage of designs currently available. 

這種在容量上的階段變化，為新一代電動車、行動電話與膝上型電腦鋪路。
 

This step-change in capacity could pave the way for a new generation of electric cars, mobile phones and laptops. 

這項研究，由 Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) 資助，目前正由（英國） St Andrews 大學的研究者及其在 Strathclyde（大學）與 Newcastle（大學）的伙伴率領。

The research work, funded by the Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), is being led by researchers at the University of St Andrews with partners at Strathclyde and Newcastle.

這種新設計有潛力改善可攜式電子產品的效能，並為再生能源產業帶來重大提升。這種電池將使得風或太陽這樣的能源可固定輸出電力，那在天氣改變或夜晚降臨時停止發電。

The new design has the potential to improve the performance of portable electronic products and give a major boost to the renewable energy industry. The batteries will enable a constant electrical output from sources such as wind or solar, which stop generating when the weather changes or night falls.

An early demonstration model of the STAIR (St Andrews air) cell.

容量之所以改善，是因為添加了一種成分（那在放電期間利用來自空氣中的氧），取代了今日可充電電池所用的一種化學成分。因不需要在電池中到處攜帶著這些化學物質，故同樣大樣的電池能提供更多能量。以必要的充電容量減少電池的大小與重量，已成為電動車開發者的一種長期抗戰。

Improved capacity is thanks to the addition of a component that uses oxygen drawn from the air during discharge, replacing one chemical constituent used in rechargeable batteries today. Not having to carry the chemicals around in the battery offers more energy for the same size battery. Reducing the size and weight of batteries with the necessary charge capacity has been a long-running battle for developers of electric cars.

這種 STAIR (St Andrews Air) 電池也應比今日的可充電電池便宜。這種新成分是以多孔碳（porous carbon）製成，那遠比它所取代的鋰鈷氧化物（譯註：正極）便宜。

The STAIR (St Andrews Air) cell should be cheaper than today's rechargeables too. The new component is made of porous carbon, which is far less expensive than the lithium cobalt oxide it replaces.

這項為期四年的研究計畫，那在七月抵達半途，建立在該大學的發現上：碳成分與空氣的交互作用能夠重複，創造出一種充電與放電循環。後續研究使 STAIR 電池所儲存的電量增加三倍以上。

This four-year research project, which reaches its halfway mark in July, builds on the discovery at the university that the carbon component's interaction with air can be repeated, creating a cycle of charge and discharge. Subsequent work has more than tripled the capacity to store charge in the STAIR cell.

此計畫首席研究者，St Andrews 化學系的 Peter Bruce 教授表示："我們的目標是使儲存容量增加五倍到十倍，那超越目前鋰電池的範圍。我們的結果到目前為止非常令人鼓舞而且遠超越我們的預期。"

Principal investigator on the project, Professor Peter Bruce of the Chemistry Department at the University of St Andrews, says: 「Our target is to get a five to ten fold increase in storage capacity, which is beyond the horizon of current lithium batteries. Our results so far are very encouraging and have far exceeded our expectations.」

Cells used in the laboratory to investigate the lithium-air cell.

"關鍵是將空氣中的氧當作一種還原劑（reagent），而非在電池內到處攜帶必要的化學物質，" Bruce 說。

「The key is to use oxygen in the air as a re-agent, rather than carry the necessary chemicals around inside the battery,」 says Bruce.

氧，那會透過電池暴露於空氣中的表面提取，在碳的孔隙內反應，使電池放電。"不只是因為此程序的這個部份免費，這種碳成分也比目前技術便宜，" Bruce 說。他估計，在 STAIR 電池可在商業上購得之前還需至少五年。

The oxygen, which will be drawn in through a surface of the battery exposed to air, reacts within the pores of the carbon to discharge the battery. 「Not only is this part of the process free, the carbon component is much cheaper than current technology,」 says Bruce. He estimates that it will be at least five years before the STAIR cell is commercially available. 

這項計畫是聚焦在更理解這種電池的化學反應如何進行，並調查該如何改進它。研究團隊也正朝製造 STAIR cell 的原型研究，首先是用於小型應用中，例如行動電話或 MP3 播放器。

The project is focused on understanding more about how the chemical reaction of the battery works and investigating how to improve it. The research team is also working towards making a STAIR cell prototype suited, in the first instance, for small applications, such as mobile phones or MP3 players.

Notes for Editors

The four-year research project 「An O2 Electrode for a Rechargeable Lithium Battery」 began on 1 July 2007 and is scheduled to end on 30 June 2011. It has received EPSRC funding of £1,579,137.

Rechargeable lithium batteries are currently comprised of a graphite negative electrode, an organic electrolyte and lithium cobalt oxide as the positive electrode. Lithium is removed from the layered intercalation compound (lithium cobalt oxide) on charging and re-inserted on discharge.

Energy storage is limited by the lithium cobalt oxide electrode (0.5 Li/Co, 130 mAhg-1). The University of St Andrews design replaces the lithium cobalt oxide electrode with a porous carbon electrode and allows Li+ and e- in the cell to react with oxygen from the air.

Initial results from the project found a capacity to weight ratio of 1,000 milli-amp / hours per gram of carbon (mA/hours/g), while recent work has obtained results of up to 4,000 mA/hours/g. Although the two designs work very differently, this equates to an eight-fold increase compared to a standard cobalt oxide battery found in a mobile phone.

The application to renewable energy could help get round the problems of intermittent supply. By discharging batteries to provide electricity and recharging them when the wind blows or sun shines, renewables become a much more viable option.

The Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) is the UK's main agency for funding research in engineering and the physical sciences. The EPSRC invests around £740 million a year in research and postgraduate training, to help the nation handle the next generation of technological change. The areas covered range from information technology to structural engineering, and mathematics to materials science. This research forms the basis for future economic development in the UK and improvements for everyone's health, lifestyle and culture. EPSRC also actively promotes public awareness of science and engineering. EPSRC works alongside other Research Councils with responsibility for other areas of research. The Research Councils work collectively on issues of common concern via Research Councils UK. Website address for more information on EPSRC:

For more information contact:

The University of St Andrews visit: www.st-andrews.ac.uk

Professor Peter Bruce FRS, tel: 01334 463 825, e-mail: p.g.bruce@st-andrews.ac.uk

Three images are available from the EPSRC Press Office (contact: Matthew.Thompson@epsrc.ac.uk, tel: 01793 4514)

歐巴馬打造電動車電池大國

【劉聖芬／綜合外電報導】 2009-05-27 工商時報

提倡環保節能、正在推動綠色新政的 歐巴馬政府，已引爆美國生產電動車電池的熱潮。為了把美國打造成一個電動車電池生產大國，美國能源部將動用24億美元資金，並在上週最後期限前接獲165 件申請案。其中包括通用汽車、陶氏化學、以及奇異公司（GE）參與投資的A123系統公司都在爭取這筆政府資金，甚至連密西根、肯塔基與麻薩諸塞州政府也 分別與其所青睞的電池製造商聯手提出申請。

最快在7月底前決定撥款對象後，能源部可能會幫助密西根州利沃尼亞市、肯塔基州印第安納波里斯市與格倫戴爾市，發展成為未來美國電動車電池的生產重鎮。

根 據資產管理公司Alliance Bernstein的研究員於2008年所做的一份研究預測，美國電動車鉛酸電池（lead-acid batteries）市場將從1年90億美元的市場規模，於2030年前成長到1,500億美元以上。但現在，鉛酸電池有可能被鋰電池所取代。

全球鋰電池市場目前為四家大型的日本與韓國公司所支配，其中包括索尼與Panasonic公司。但他們生產的主要是小型鋰電池，供筆記型電腦與手機使用。汽車製造商現下使用在油電混用車上的是鎳氫電池，豐田的Prius就是一例，原因是鎳氫電池比較沒有爆炸、著火的問題。

鋰電池比鉛酸或鎳氫電池更輕巧、且容量更大。數家美國公司已將技術改善，有能力生產既安全且實用的大型鋰電池，供汽車與卡車使用。

美 國各州渴望吸引既能帶動就業、又能減少溫室氣體排放的製造業者前來投資。肯塔基州已承諾提供1.1億美元補助，及一塊位於格倫戴爾市佔地1,550公頃的 地供鋰電池製造業使用。麻薩諸塞州的官員表示，該州有包括Boston Power在內的數家鋰電池製造商，有機會獲得政府資金。

根據能源部接獲的申請，A123想在利沃尼亞斥資6億美元蓋一座廠房。之前通用汽車表示與A123合作為開發中的Volt電動車打造電池，令後者的知名度大增。

居領導地位的鉛酸電池供應商Johnson Controls已與法國電池製造業者Saft合作，打算在密西根州霍蘭德市的現有廠房生產鋰電池。


◆ 比亞迪聯手福斯 開發電動車

【林殿唯／綜合報導】2009-05-27 工商時報

根 據「華爾街日報」報導，德國福斯汽車（Volkswagen）在週一表示，該公司CEO溫特可恩（Martin Winterkorn）已經與比亞迪總裁王傳福簽署了一份合作備忘錄，雙方將會在未來合作開發鋰電池電動車與混合動力車。消息公佈後，比亞迪的股價逆勢上 漲3.34％，以34港元作收。

福斯汽車技術研發執行委員會成員哈肯柏格（Ulrich Hackenberg）表示，混合動力車和電動汽車將扮演越來越重要的角色，尤其在中國市場上，像比亞迪這樣的潛在合作夥伴，可以幫助福斯汽車迅速擴大業務。

雖然汽車產業普遍認為鋰電池技術遲早會應用到汽車上，但也表示目前鋰電池的成本過高、耐久性不足而且安全上仍有顧慮。對此比亞迪表示，將會採用更安全與節能的磷酸鐵離鋰電池技術，前述問題基本上已經解決。

著名汽車產業分析師賈新光表示，「新能源車將會是全球汽車產業未來發展的方向，雖然目前電動汽車在量產、續航、基礎設施等方面仍存在發展瓶頸，但各跨國汽車公司都不甘心喪失此一陣地」。

據瞭解，福斯之前已經分別與三陽及東芝簽訂了類似的合作備忘錄，來共同發展新動力汽車，而賓士、豐田等汽車大廠，更早在數年前就已經投入鉅資開發電動車。

而溫特可恩在今年的上海車展中，也表示比亞迪將會在五月到德國向福斯展示其電池技術，顯現出福斯對於新型汽車能源的開發極具企圖心，也暗示將會與比亞迪成為合作夥伴。

比 亞迪不但是全球最大的鋰電池製造商，而且還推出全球第一台量產的電動車，就連股神巴菲特也對它的汽車電池事業青睞有加，在去年9月即以2.3億美元大量買 入比亞迪的股票，造成比亞迪的股價連續大漲數天。顯示出市場對於比亞迪在電動車產業的發展深具信心，這次福斯和比亞迪合作的消息更是在一定程度上形成股價 上漲的推力。

對於福斯與比亞迪的合作，有業內人士認為主動權在比亞迪手中，因為比亞迪要考慮是否要將自己的王牌電池技術移轉出去，而且福斯的電動車上市後，將有可能會侵蝕到比亞迪的電動車市場，這些都是比亞迪無法避免的問題。

環保車進化 「空氣」當動力

【經濟日報╱編譯／謝璦竹】 2009.06.21

全球汽車廠爭相開發電動車，但有一家新創公司直接跳過這個階段，製造以空氣為動力的汽車。美國零汙染汽車公司（Zero Pollution Motors, ZPM）2011年將推出以壓縮空氣為動力、搭配一具小型傳統引擎的零排放「空氣車」。

ZPM執行長范凱特說，空氣車未來的理想價位在1.8萬到2萬美元間，最佳狀態下可達到相當於每加侖汽油行駛100哩的燃油效率，在低速行駛時則可只排放空氣。

空氣車的技術正逐漸臻於成熟，全球多家企業正在測試這項技術。授權ZPM的法國新創公司國際汽車發展公司（MDI）3月曾在日內瓦車展上展示一款空氣車。荷蘭皇家航空（KLM）與法國航空上月也測試一款外型如氣泡的空氣車AirPod，準備當作機場地區的運輸工具。

范凱特說，空氣車使用前要先充電，再由電力啟動壓縮機加壓車內的氣槽至每立方英吋4,500磅，四個小時可以完成加壓。行駛時，加壓的空氣慢慢釋放出來，推動活塞。

在每小時低於35哩的速度下，車輛可完全仰賴壓縮空氣為動力，因此僅排放出涼空氣。超過這個速度時，傳統燃料的小型引擎會啟動加熱器以加熱空氣，加速空氣釋放。另外，該引擎也可以幫氣槽充氣，延長車輛行駛的距離。

據范凱特表示，空氣車單靠壓縮空氣可行駛20哩，啟動燃油引擎後，可加駛幾百哩，最高時速為每小時96英里。

工程專家質疑這項技術，因為眾所周知壓縮空氣是最耗能源的動力之一。西北大學生化工程學教授哈樂德‧鄺說：「同樣將電力轉為汽車動力，空氣壓縮機是最缺乏效率的機器。何不直接用電來發動就好，就像電動車？」

據Worcester Polytechnic研究所教授范迪分，壓縮空氣能夠釋放的動力只相當於所耗能源的25%至30%，其餘則以熱以及溢散的空氣等形式浪費掉。雖然這比汽油引擎好一些，但跟其他替代能源汽車比起來就遜色得多。

印度將生產『零污染』的 Air Car

先看看空氣車的介紹

◆ 環保概念車空氣車(THE AIR CAR)  (研設組　黃健琨)
http://www.epa.gov.tw/b/b0100.asp?Ct_Code=06X0001560X0003090&L

早在19世紀，法國科幻小說家就曾描繪過這樣一幅情景以空氣作動力的汽車奔馳在街道上。如今，這個夢想已經有了實現的希望及可能。於2002年10 月巴黎國際汽車展覽會上，一種不需要用燃油，而用壓縮空氣推動引擎的小型汽車城市之貓「City cat」引人矚目，並赫然與最新款賽車並列會場。

「City cat」的創造者環境保護人士 Guy Negre在80年代從事飛機及一級方 程式賽車的引擎設計，並曾獲得IFEP(French Petroleum Institute)的獎。 1991年，Guy Negre設計出汽油及壓縮空氣併用的雙能源引擎(Bi-energy engine)，獲得投資者的投資，在Luxembourg, French成立法國公司MDI (Moteur Development International)，並開始投入「氣車」--單能源壓縮空氣引擎(mono-energy compressed-air engine)的創新發明，發展出可商 業化，且是環保人士和經濟學家心目中的理想汽車。MDI在2002年建造第一座製造車廠進行量產，其研發部門雖僅有60多名工程師，但與動輒上千人的大型 車廠相較，其獨步全球的設計理念並不落人後，在120多國具有30種左右的專利。在Guy Negre所設計的空氣車中，冷空氣在纖維容器儲槽中進行壓縮，加熱後送入到活塞引擎的汽缸中來驅動車輛，無氧化燃燒反應，不會造成任何污染。

空氣車簡介：空氣車最高時速約110公里，平均每加一次空氣可行駛200公里或10小時，適合短途客運和貨運。車上具有4個總容量90升的壓縮空氣缸， 可儲存90立方米的空氣。為避免引擎損害，空氣須先經濾除塵粒雜質後注入引擎，故可清淨都市的空氣。就環保的角度思考，空氣車不啻為在都會區中之移動空氣濾淨器。

空氣車「加氣」過程簡易，可在家中將車上的壓縮機接上家用電源(220V)，4小時後即可充滿空氣，亦可至特定的「加氣站」(air station)以快速加氣技術，在3分鐘內完成氣缸充氣，每次加氣成本在2美元以下。為減輕車重， 提昇車速，車身和車架分別採用強化玻璃纖維和鋁管結構，並捨棄許多的電纜，將全車包括車燈或音響系統等電力系統，以單一供應電力的電纜線路串連，並利用無 線電波來控制電子系統，使電線重量大幅減少20公斤左右，再加上其他的減重設計，故該公司已經在市場上推出的空氣車系列，如taxi, van, pick-up truck或family car等四款車種重量僅約700公斤（售價8,000 ～10,000美元）。

空氣車的壓縮空氣引擎和傳統的汽油引擎相較，最大區別在於傳統引擎是通過汽油和空氣混合燃燒釋放的能量提供動力，空氣車則是通過氣體的壓縮和膨脹來 推動引擎。壓縮空氣缸的氣壓很高，因採用玻璃纖維氣缸，一旦發生意外或車禍，氣缸只會沿直線裂開，貯存的壓縮空氣會「撲」地一聲排出， 無爆炸之虞。空氣車行駛的路程取決於速度，以50 km/h行駛可以超過300 km，以100 km/h行駛的話大約三分之一即100公里左右而已。在充足空氣狀態下可低速行駛10個小時左右，故其設計已經可以滿足都會區內通勤距離在每日60km的 80%的駕駛人之需求。

空氣車的工作原理：壓縮空氣儲存在一個纖維容器內，利用其壓力來推動發動機的活塞。在整個過程中，不需要燃燒，無有害氣體的排放問題，不會對環境造 成污染。不需燃燒，故意謂發動機不需要耐高溫和高壓，可大幅降低成本，且因使用空氣，潤滑油每50,000公里才須更換一次。MDI引擎工作循環 (The cycle of the MDI cycle)壓縮階段：在引擎中，經由活塞壓縮大氣空氣至 20 Bar，且在此過程中會增溫 400℃。空氣注入階段：當活塞停下時，儲氣槽會把同環境溫度的壓縮空氣注入氣鋼。擴張階段：注入的空氣導致快速的壓縮和擴張來推動活塞反覆動作，推動曲 軸提供動力給引擎。

結語：世界各國對環境保護觀念日益重視，不斷研究如何降低污染，如空氣車、生質(Biomass)柴油車或燃料電池車 等，皆以改善人類全體的生活環境為目的。有關空氣車的研究已逾十年，法國及西班牙等歐美國家亦紛紛投入研究，希望能儘早突破目前不足的地方如行駛距離、速 度、加氣時間的縮短等等，使大眾更能接受，才能將空氣車推廣普及，降低空氣污染。目前，西班牙已提出16,000台空氣車的訂單，瑞士、澳大利亞、荷蘭、 南非、紐西蘭和馬來西亞等國亦對空氣車表示有興趣，未來會有更多國家引進空氣車。另由空氣車之衍生應用將擴及至航運等載具之多元應用研究。

總而言之，空氣車的開發能讓大眾繼續享受汽車帶來的便利，而不用再擔心環境污染。希望未來幾年內能看到這種汽車在台灣及全世界的道路中穿梭自如。

參考文獻：

＊ 「The air car (lifestyle ecology economy)」, MDI (Moteur Development International), http://www.theaircar.com/   

※ 裡面有提到需要『加熱』之後才能送入汽缸中，以何種方式加熱？電熱？如果用其他方式加熱，則仍有汙染之虞。

◆ 印度將生產空氣車
The Air Car - zero pollution and very low running costs
http://gizmag.com/go/7000/

現在第一款商業化生產的壓縮空氣車已經開始吸引許多人的注意。最近Tata，印度最大的汽車製造商完成的合夥簽約，準備製造輕量級的城市車 MiniC.A.T。其管狀車身底盤與玻璃纖維車體相『黏（非銲接）』，車上有 與外部系統整合的電子與通訊系統核心，負責提供除了車速以外，一系列的車況資訊，上面的東西可能都是你所夢想的：以語音辨識啟動車輛，網際網路通 訊，GSM 行動電話，GPS 導航系統，完整的管理系統、緊急狀況處理系統，當然還包含數位娛樂。其革命性的電子系統只用到一條纜線，也因此它成為車輛的無線控制系統。車上的每個裝置 都有微控制器，因此有一個小型的無線電傳輸器可以發送指令給燈光、指示器等等。此外，這輛車沒有鑰匙，只有一張存取卡片，可以直接從你的口袋讀取資訊。

最重要的是，可以最經濟的方式讓它在路上跑 -- 它每跑 100Km 的花費少於 1 歐元（石化燃料車輛的 1/10）。其總里程數比其他最先進的電動車要多上一倍（200 - 300Km，或連續開車 10 小時），這符合 80% 市區通勤族每日駕駛少於 60Km 的需求。該車輛的速度可達 68mph（約 110Km/hr）

要填充壓縮空氣，市場一旦做起來，將可至加油站進行加氣。在 2-3 分鐘內，花 1.5 歐元，這台車又能夠跑個 200 - 300 公里。另一種自帶壓縮機的車款，可以在 3-4 小時內裝滿儲存槽。因為沒有燃燒作用，因此每輛車開了五萬公里以後，才需要換油（1 公升蔬菜油）。而該車的排氣溫度大約是 0 - (-15) 度，因此排氣可拿來當作車內冷氣空調用。

其他運作細節請參考第一篇文章。

在目前，將生產四種車型：除了前述的城市車款外，還有 5 人座計程車、發財車（Pick-Up truck）與箱型車（van）。最終售價約在 10830 美金。

※ 相關報導：

＊ MiniC.A.T Urban Air Car: Science Fiction in the News： http://www.technovelgy.com/ct/Science-Fiction-News.asp?NewsNum=974