這是一篇蠻持平客觀的分析、說明..... 電動車和你想的不一樣：只是炒作？真的會造成缺電嗎？專家一次說清楚（12/30/2020 風傳媒）

"你應該知道的是：豐田汽車社長痛批，電動車若更加盛行，可能造成日本大缺電，此一說法引發外界熱烈討論。如果電動車滿街跑，到底會不會缺電？電動車只是炒作的話題嗎？作者以專業背景解釋，電動車對解決大城市嚴重空氣污染將有顯著成效，但能源轉型困境並未因此紓緩，能源問題人人有責，不能把責任推給政府。"

作者：曲建仲 / 台大電機博士，知識力專家社群創辦人

近年來空氣污染讓大家忍無可忍，溫室效應造成的氣候暖化日益嚴重，讓世界各國政府推出新的碳排放法規，不約而同喊出 2030或2040 年禁售燃油車的口號，許多車廠被迫積極開發電動車，彷彿電動車能夠解決人類的空氣污染與能源問題，豐田社長怒批世界各國政府力推電動車只是炒作，許多人可能認為那是豐田(Toyota)眼見特斯拉(Tesla)股價節節高昇而吃醋，所以電動車真的是未來環保的新希望嗎？事實恐怕和你想的不一樣？

電池的構造與原理

所有的電池都具有陽極(負極)與陰極(正極)，基本上都是由陽極(Anode)發生的化學反應產生電子(Electron)與陽離子(Ion)，電子流入元件可以推動元件工作，也就是我們所稱的電能，如圖一(a)示；陽離子則經由電解質穿越多孔性的隔離膜到達陰極，如圖一(b)所示；最後陽離子與電子在陰極(Cathode)結合，如圖一(c)所示。

電池的陽極(Anode)：是我們所稱的「負極(Negative electrode)」。電池的陰極(Cathode)：是我們所稱的「正極(Positive electrode)」。

兩者恰好相反，千萬別弄錯了唷！大家可能會好奇，為什麼會恰好相反來造成大家的困擾呢？因為化學家定義放出電子的叫「陽極」；而陽極放出電子，代表陽極必定帶負電(同性相斥、異性相吸)，所以物理學家稱陽極為「負極」。

不同的鋰電池主要是陰極材料不同

不同的鋰電池其實主要是使用的陰極材料(正極材料)不同，目前最常用的陰極材料共有四種：鋰鈷氧化物(LiCoO2)、鋰鎳氧化物(LiNiO2)、鋰錳氧化物(LiMn2O4)、鋰鐵氧化物(LiFePO4)，其中大家常聽到的「三元鋰電池」其實是陰極材料使用鈷鎳錳酸鋰三元化合物的鋰離子電池，其中三元是指包含鈷(Co)、鎳(Ni)、錳(Mn)三種金屬的化合物，而電解質主要是使用六氟磷酸鋰液體，負極材料一般是使用石墨。

固態鋰電池未來發展值得關注

由於現在的鋰電池所使用的電解質是液體，容易發生漏液汙染、易燃爆炸等問題，而固態鋰電池的電解質是固體，不會因為隔離膜破損就導致陰陽極接觸短路爆炸，而且固態鋰電池的密度和結構可以讓更多帶電離子聚集傳導更大的電流提升電池容量，此外固態電解質不可燃、無腐蝕、不揮發、不漏液等特性，不像傳統鋰電池的液態電解質含有易燃有機溶液，需要降溫、防撞擊、防穿刺等安全裝置。

電極材料與液態電解質容易完全接觸，但是和固態電解質接觸不如液體，造成介面阻抗過高，影響整體電池效能，而且固態電解質製程良率低價格高，仍然有許多困難。日本Toyota公司預計2022年推出全固態鋰電池的電動車，美國Fisker公司為固態鋰電池申請專利，能量密度可達傳統鋰電池的2.5倍，法國Bollore公司已經量產固態金屬鋰聚合物電池，德國Bosch公司收購美國Seeo公司研發固態鋰電池技術，QuantumScape公司的鋰固態電池號稱15分鐘可以充飽80%股價大暴漲，由於廠商投入資源研發未來發展可期。

電動車的普及有賴電力基礎建設

電動車要充電，但是如何充電是個大問題，像Gogoro的電動機車一個電池只有9公斤，使用者可以到電池交換站自行更換電池，但是Tesla電動車的電池重達500公斤以上，只能以定點充電的方式進行，即使目前的規格要求在1小時內完成充電，使用者是否能在加電站等1小時卻是個問題。

如果必須把車開回家在停車場充電，最大的問題是目前的電力基礎建設不足，假設大樓停車場有100個停車位，每個都設置插座，當100台電動車同時充電時，大樓的變壓器無法承受如此巨大的電流，因此整個電力基礎建設，包括：變壓器、變電所、高壓電塔都必須重新設計才能達成，聽起來就不是短期內可以做到的事，可能的解決方法是在大樓停車場建置大型儲能電池，當大量電動車充電時可以由大型儲能電池供電，考慮到成本與安全，大型儲能電池使用釩電池或鋁電池是未來可能的發展方向。

電動車不會排放廢氣　更環保而且節省能源？

由於我們的發電廠是以高壓交流電(AC)傳送到使用者家中，再以「電源供應器(PSU：Power Supply Unit)」轉換為直流電(DC)才能對鋰電池進行充電，如果使用的是交流馬達，則鋰電池供電時要再轉換為交流電(AC)給馬達供電，每一次的電源轉換效率大約80%~90%，因此這樣轉來轉去其實浪費許多能源。根據德國慕尼黑經濟研究院(IFO：Institute for Economic Research)發布的一份研究報告，考慮電動車的碳排放量時，如果將鋰電池的生產製造、能量轉換，以及供電過程中發電廠發電所排放的二氧化碳算進去，電動車的二氧化碳排放量會比傳統燃油汽車高。

根據IFO的資料，最環保的能源形式是使用「甲烷」，也就是我們家裡用的天然瓦斯，它與一般的「瓦斯車」類似，差別在目前瓦斯車使用的「液化石油氣」是丙烷和丁烷的混合物。以甲烷為主要動力的內燃機(引擎)可以使汽車減少碳排放量，而且甲烷裡含有的氮化物、硫化物等雜質更低，是汽車製造商可以採用的環保能源，搞了半天最環保的竟然是瓦斯車，看來豐田社長怒批電動車只是炒作算有幾分道理，不過瓦斯車還是會排放二氧化碳，無法解決溫室效應的問題。

電動車只能改善空氣污染　無法解決能源問題

充電站裡的電是那裡來的呢？還是由發電廠來的，說來說去，又回到了最原始的火力、水力、核能發電來提供，核能目前被社會接受的可能性很低，在台灣想蓋水庫都很困難了更別說水力發電廠，因此又回到最原始的火力發電，不論是使用天然氣或煤碳，最後還是免不了要造成空氣污染的，因此有人說電動車只是把城市裡的空氣污染，轉移到郊區發電廠而已。台灣目前全力推動太陽能與風力發電，這是應該做的，只是核能電廠要除役，太陽能與風力發電只怕用來補上這個電力缺口都不夠，沒辦法多出來給電動車使用。

汽柴油車與火力發電廠最大的差別，在於對污染物的控制，汽柴油車滿街跑到處噴廢氣，只能使用觸媒轉化器進行處理，由於價格與體積的限制，無法對廢氣有效回收處理；而發電廠是將廢氣集中處理，可以使用更昂貴體積更大的工業設備對廢氣有效回收處理，污染的確變低，因此使用電動車一定會減少城市的空氣污染，再加上近年來電池從製造方式到回收技術都快速進步，發展電動車仍然是重要的選項之一。

氫能與燃料電池被視為終極環保能源但是困難重重

傳統電池直接使用化學反應產生能量，優點是能量轉換效率很高(80%以上)，但是充電需要比較長的時間；而使用燃料以內燃機(引擎)進行燃燒反應產生能量，優點是可以直接補充燃料，但是使用內燃機的能量轉換效率很低(30%以下)，科學家開始思考，有沒有一種方法同時具有「電池」與「燃料」的優點呢？於是燃料電池從此誕生了。

燃料電池和傳統電池的原理相同，都是將活性物質的化學能轉換成電能，但是傳統電池的電極本身是活性物質，會參與化學反應；而燃料電池的電極本身只是儲存容器而已，並不會參與化學反應(觸媒只用來引發化學反應)，必須將活性物質加入電池內，就好像我們的汽車補充燃料一樣，才能產生化學反應形成電能，是一種要補充燃料的電池，故稱為「燃料電池(Fuel cell)」。

儲氫技術價格偏高目前仍然無法擺脫石油

燃料電池使用氫氣與氧氣反應產生水，反應後排放的氮化物或硫化物極少，幾乎沒有任何污染，因此被視為終極環保的再生能源。但是燃料電池必須使用氫氣做為燃料。高壓儲氫技術如何把又大又重又危險的氫氣鋼瓶放在車上是個大問題；因此有國外公司開發出可以承受700大氣壓的航太複合材料儲氫瓶，可以取代氫氣鋼瓶，Toyota公司更在推出氫燃料電池車款Mirai，創下單次加滿氫氣可以行駛500公里的紀錄，已經是成功的商品了，那麼它的問題到底在那裡呢？

首先車上放了一個壓力這麼大的儲氫瓶是否安全是個問題，氫氣的來源則是更大的問題，大家都知道電解水可以產生氫氣與氧氣，問題是電解水產生氫氣的成本很高，而且這些電還是來自發電廠。為了降低成本，目前工業上主要是將碳氫化合物 (石油)以「 蒸氣重組」（Steam reforming）的方式分解生產氫氣，搞了半天還是要以石油做為原料，看起來人類要擺脫石油還真困難。

為什麼世界各國都訂定2030或2040年禁售汽柴油車？

很有趣的現象，世界各國都訂定2030或2040年全面禁售汽柴油車，為什麼是這個時間呢？主要還是覺得前面介紹的這些問題，包括充電站建置、電力基礎建設、新建大型發電廠，或是太陽能、風力發電等新能源開發，大約需要20年時間，因此選擇了這個時間點，問題是如果時間訂定了，卻沒有看到政府加蓋發電廠，那時間到了要怎麼辦呢？

不過各國政府爭先恐後這樣「宣誓」，還有一門不可言傳的心思，那就是老百姓對空氣污染已經忍無可忍，但是眼見要解決這個問題困難重重，宣誓「2040 年」禁售汽柴油車，等於是給老百姓一個交代，反正2040年是 20 年以後的事了，到時候站在台上的一定不是現在宣誓的這個人，這種只靠嘴巴說說就可以成功的「政績」，何樂而不為呢？

能源問題人人有責　不能把責任推給政府

經過前面的介紹，大家一定發現人類的能源問題沒有這麼簡單，政府該做的不只是靠嘴巴宣誓禁售汽柴油車，而是必須認真開始發展綠色能源。目前最大的問題在於：電價太便宜，造成使用者沒有節約用電的習慣，各種價格較高的「家庭能源管理系統」（HEMS：Home Energy Management System）乏人問津，電價如果真的大漲又會造成物價波動，受限於選舉與政治因素，要讓電價上漲也是困難重重，只能靠我們自己養成時時節約能源的習慣，才是最有效的方法。

責任編輯/周岐原

完整圖文內容請見：
https://www.storm.mg/article/3340151?mode=whole

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30歲轉行是失敗者？97歲諾獎得主的一生

誰說改變世界的都是年輕人？

今年的諾貝爾化學獎獲得者John B. Goodenough以他的傳奇經歷給出了答案。30歲入行，年過半百才正式研究電池材料，97歲時收穫諾獎，依舊活躍在科研一線。

今天與大家分享他的勵志故事。

來源丨量子位（ID：QbitAI）

97歲，他還奮戰在科研一線。

John B. Goodenough，人稱“足夠好”老爺爺，近日加冕諾貝爾獎。

10月9日，2019年諾貝爾化學獎頒向鋰電池領域。

Goodenough與M. Stanley Whittingham，以及日本科學家吉野彰（Akira Yoshino）共用了這一獎項。

以表彰他們在鋰離子電池領域作出的貢獻。

諾貝爾評獎委員會稱，三人的研究使鋰電池的使用方式更加穩定，從而開啟了電子設備便攜化進程，為打造一個無線互聯的社會奠定基礎。

引用果殼更科普化的解釋，如果沒有他們，我們每天形影不離的手機就是個隨時可能點燃的炸藥包。

而且Goodenough今年加冕，也刷新諾貝爾獎新紀錄——以97歲高齡，成為最年長的諾貝爾獎得主。

在此之外，他還是美國國家工程院、美國國家科學院、法國科學院、西班牙皇家科學院、英國皇家學會會員，撰寫了超過550篇文章、參與85本著作的編寫，是2009年費米獎得主、2017年威爾齊化學獎得主，還獲得了英國皇家學會的科普利獎章。

但這還不是Goodenough令人稱奇、敬佩的全部。

當他獲獎，外界關注他的履歷，才發現其充滿坎坷和跌宕的一生，簡直就是傳奇的一生、榜樣的一生，勵志的一生。

很難想像，這位鋰電池之父患有閱讀障礙症，成長家庭並不和睦，大學歷經二戰，30歲才拿下博士學位，年過半百才正式研究電池材料。

之後一路開掛，58歲發明鈷酸鋰電池改變世界，75歲以磷酸鐵鋰電池再度改變世界，90歲以後開始研究全固態電池。

至今如此高齡，依舊每週上班5天，仍舊有新研究成果問世。

如果你會有“現在做XX是不是太晚”的疑惑，一定要看看Goodenough這傳奇的一生。

┃如何成為鋰電池之父？

我們先從Goodenough如今成名作說起，看看他的科研之路。

Goodenough的博士本身讀的是固態物理，30歲從芝加哥大學博士畢業，之後去了MIT林肯實驗室，研究記憶體的材料物理和固態陶瓷。

24年之後，Goodenough進行了人生第一次“跳槽”。

那年，牛津大學需要一位能教無機化學，同時也能管實驗室的教授。

Goodenough雖然研究的是物理，但他本科的時候為了湊學分學了兩門化學課，就因此意外的被選中了，進入牛津大學任教，並成為無機化學研究負責人。

正是這一次跳槽，讓Goodenough終於在54歲的年紀開始了一項改變世界的研究。

Goodenough在牛津主要研究的課題是可用於能量轉換的新材料。當時他初到英國，英國化學家、和他一起獲得諾獎的Stanley Whittingham發明了最早的可充電鋰電池，借助鋰能嵌入二硫化鈦層間這一特性，用二硫化鈦做正極，用鋰做負極。

當時的消費電子產品只能使用不可充電的碳鋅電池，雖然已經有了可充電的鉛酸電池，但畢竟用在電動車上的鉛酸電池那麼笨重，是沒法拿來做消費電子產品的。

而Whittingham的這項研究，不僅可以靠鋰離子的運動進行充電，還能用在小型設備上，並在室溫下運行，解決了兩種電池的痛點。

但Whittingham的研究是沒法直接用的，因為有一個大bug：安全問題。

正極，二硫化鈦，在空氣中是非常不穩定；

負極，鋰，這種金屬是易燃；

而且，在充放電過程中，鋰會快速沉積產生枝晶，這樣就容易讓電池短路，這也是現在電動車自燃的元兇之一。

所以Whittingham發明的這種電池雖然原理可行，但容易爆炸，是個危險品，完全沒法應用，需要把正負極的材料都換掉才行。

這個時候，學了30年物理的Goodenough有了一個大膽的想法：把鋰換成氧化物吧。

他判斷，氧化物可以讓電池在更高的電壓下進行充電和放電，根據物理學原理，這種電池會產生更多的電量，並且揮發性會更小。

於是他測試了各種氧化物，發現如果把鈷這種元素放進去會比較穩定。

終於，在Goodenough到達牛津的四年後的1980年，57歲的他和水島公一、Philip Jones、Philip Wiseman共同發現了鈷酸鋰這種物質，讓Whittingham的鋰電池變得穩定多了。

在他的實驗室外面，英國皇家化學學會樹立了這塊藍色的牌子，紀念鈷酸鋰的發現。

不過，鈷酸鋰中的鋰和金屬鋰的化合價是不同的，鈷酸鋰在電池裡是一種正極材料，為了湊成一塊電池，還需要找一種負極材料。

這個時候，日本的索尼出現了，他們發現了石墨可以拿來做負極材料。

然而在英國，因為此前發生過爆炸事故，大家聞鋰電池色變，甚至Goodenough工作的牛津都不願意幫忙申請專利，而是讓英國原子能研究機構申請到了這個專利，後來被索尼買走。

於是，索尼成功接下了這個“燙手山芋”，並和自己研發的負極材料放在一起，創造了新的電池，並將之商業化，用在了各種各樣的電子產品中。

而Goodenough，甚至沒有從如今這價值350億美元的鋰電池市場中賺到錢。不過他本人後來在接受c&en採訪的時候反而很淡定：“我當時並不知道它會值這麼多錢。”

雖然在57歲才發現了讓他名聲大噪的鈷酸鋰，但Goodenough似乎就是一個耐久型選手，後來還發現了許多種電池材料：1983年，61歲的他發現錳尖晶石正極材料；1997年，75歲的他發現磷酸鐵鋰正極材料，這些都是電池正極的升級替代品。

甚至，為了持續做研究，他還打了牛津退休政策的擦邊球。

本來，牛津大學要求65歲強制退休的，但Goodenough不想退休，於是他在64歲的時候又跳槽了。

這次，他回到了美國，在德州大學奧斯丁分校當機械工程和材料科學教授，繼續做研究。


┃閱讀障礙症患者，文學少年讀物理PhD

Goodenough出生於1922年，這是一個科學蓬勃發展的時代。

在這一年，法國醫生卡雷爾發現白血球，加拿大科學家班廷製成人造胰島素。

波爾因關於原子結構以及原子輻射的研究獲得諾貝爾獎。

之後，費米、薛定諤等量子物理領域的大佬開始展露鋒芒。

兒時的Goodenough，雖然家就在耶魯附近，不過出生在了一個學文科的家庭，似乎離這些自然科學家們有些距離。

但數十年後，他也將成為他們中的一員。

當時，擺在他面前的，是怎麼克服自己的閱讀障礙症。因為閱讀障礙症，在小學和中學時代，他受到了不少同學的戲弄。

但在求學過程中，他也慢慢從大自然，以及詩歌和宗教哲學中獲得了力量，贏得了學校的獎學金。

1940年，18歲的Goodenough考入了耶魯大學。

對於他來說，這種對家庭的逃離讓他松了口氣，因為他父母關係並不好。

就在考入耶魯大學之前，他的父母離婚了。他父親（歷史教授）很快就與自己的研究助手成婚。

這個環境讓他頗感壓抑，而且他與自己父親的關係並不怎麼好。

他去耶魯讀書的時候，只從家裡拿到了35美元的資助，而耶魯的學費至少每年900美元。

好在他有獎學金，校長還幫忙安排他去給有錢人家的孩子當家教，靠著半工半讀養活自己，他再也沒問家裡要一分錢。

用Goodenough的原話說，就是“每週工作21個小時掙自己的21頓飯。”

進入耶魯之後，Goodenough還是遵循著自己的興趣，先是選了古典文學，後來轉到了哲學，期間還學習過化學。

之後，在一名教授的建議下選擇了數學專業，並堅持了下去。
但這一路也頗為坎坷，就在讀大學的第二年，珍珠港事件爆發了。

Goodenough選擇了主動申請服役，三年後才回到耶魯大學完成了學業。

畢業之後，他再度返回戰場，加入了美國空軍。

本打算和朋友一樣去報海軍陸戰隊，中途被數學老師叫去說“不要當大兵，我們需要懂數學的人做戰爭氣象預報”，於是沒有上前線，而是負責在一個太平洋的海島上收集資料。

1946年，Goodenough迎來了命運的轉折。當時，美國政府出資，選派軍人去深造，獲得了耶魯大學教授推薦的Goodenough就在其列，他可以選擇在芝加哥大學或西北大學學習物理或數學。

經過重重考慮，他決定前往芝加哥大學攻讀物理學博士。

之前就想過考物理研究生，但被管學生註冊的人告知，物理學裡所有厲害的東西，人家在你這個年紀都已經搞完了，你現在才想著開始啊？

最終，他還是考上了芝大物理系，當時是恩裡克·費米在管，據說費米一上來就給新生安排了一個32小時的超級大考試，每天8小時，連考4天。

第一次考掛了，於是又考了第二次才過，總計64小時。

其後師從著名物理學家齊納，他30歲時發明齊納二極體。

在芝加哥這幾年，他主要的研究固態物理學，並打下了堅實的理論基礎，對於自己人生方向也有了新的思考。

在他求學期間，齊納也給他提供了很大的幫助，他曾對Goodenough說：“你有兩個問題，第一個問題是找到問題，第二個問題是解決問題……”

這一理念，對Goodenough產生了很大的影響。

30歲獲得物理學博士學位之後，經過在MIT的工作以及自身的理解，在牛津大學他選定了自己的方向——電池材料，並一直堅持了下去。

┃還能再戰，不想退休等死

直到現在，他還在科研一線繼續解決“問題”。

2018年，Goodenough接受媒體採訪時也談到了自己的問題，他說：

“我想解決汽車的問題，我想讓汽車尾氣從全世界的高速公路上消失。我希望死前能看到這一天，我今年 96 歲，還有時間。”

而且，解決問題並不僅僅只是靠口號。

Goodenough仍舊活躍在科研前線，就在最近，他和自己的團隊還發現了一種用於鈉離子電池的新型安全正極材料。

並仍舊有作品發表，比如這篇：

J.B. Goodenough, Personal journey into solid state chemistry, Journal of Solid State Chemistry 271 (2019) 387–392.
（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022459618305607 ）

就在幾個月前，他還在採訪中說：

我不想退休等死，我想努力奮鬥，我相信我們正在做的事情是非常重要的。

這些重要的事情有很多，比如他嘗試用自然界中存量更多的鈉代替鋰作為電池材料，以降低電池的成本。

再比如，如何用金屬鋰做正極，製造出更強大的電池。

還有電解質方面，Goodenough也在嘗試用玻璃固態電解質做出更安全的電池。

據說，“足夠好”老先生現在依舊精力充沛，有人在知乎上回答說，整個走廊都能聽到他爽朗的笑聲。

嗯，足夠好，還會更好。