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越南車廠將撼動特斯拉電動車地位!?誰能在電池戰中獲勝?

PanSci_96
・2023/02/26 ・2723字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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2022 年 12 月,來自越南的 999 台 VinFast VF 8 City 型智慧電動車乘坐貨輪抵達抵舊金山貝尼西亞港,敲開特斯拉的電動車帝國大門。

除了吹響這次的電動車戰爭號角的 VinFast,眾多車廠像是通用汽車(General Motors)或是來自中國的比亞迪等,都拿起籌碼坐上桌,準備要搶攻這塊市場。而大家手上握的籌碼,就是自家生產的電池。

氫與鋰,都幾?

在電動車產業中,要掌握電動車,就得先掌握好電池。光是電池就佔了整台車 35~40% 的成本,選擇不同種類的電池,更會影響到續行里程、充電效率和安全性。而目前電動車所使用的均為「鋰離子電池」。

大家是否還記得,在十幾年前,與電動車角逐未來「環保車」位置的,還有氫能車。

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氫與鋰的競爭勢必發生,它們排在元素週期表最前面,原子序最小的一、三名。鋰的密度甚至僅有每立方公分 0.534 克,比水還要輕,代表在相同的重量下,可以放入更多的原子,攜帶更多的電量,這正是我們最需要的。由於氫氣的分子量小,在燃料電池中的能量轉換效率也不錯,因此「理論上」氫燃料電池的能量密度是鋰離子電池的 150 倍。

只是,就現在技術成熟度來說,明顯是鋰離子電池獲勝,不論是手機、電動車還是大型儲電設備,到處都見得到鋰離子電池的身影。

手機也是使用鋰離子電池。圖/Envato Elements

鋰離子電池

1970 年代,英國化學家惠廷翰(M. Stanley Whittingham)發明了第一個可以充放電的鋰離子電池,其單位重量的儲電效率遠超過當時的鉛蓄電池與鎳鎘電池。在電池中,金屬鋰會在負極丟下電子,以鋰離子的狀態移動到正極,並被特殊設計的二硫化鈦夾層捕捉,電路中的電子則會從負極流往正極,完成電路循環。

不過當時負極所使用的是純金屬鋰,因此,在電池充電、鋰離子會回到負極再結晶成金屬鋰的過程中,會容易形成如同鐘乳石般的晶鬚(Lithium Dendrite),當晶鬚因為反覆充放電變的更長,甚至會戳破電池的保護層,導致短路爆炸。

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好在後來美國的古迪納夫(John B. Goodenough)與日本的吉野彰(Akira Yoshino),分別將正極材料換成了鋰鈷氧化物,負極換成可以捕捉鋰離子的碳材料;整顆電池不再有純金屬鋰,只有鋰離子在電解液中移動,確保了安全性,讓鋰離子電池得以商業化。

而這孕育出鋰離子電池的這三位科學家惠廷翰、古迪納夫以及吉野彰,在 2019 年抱回諾貝爾化學獎,實至名歸。

2019 年諾貝爾化學獎,頒給了孕育出鋰離子電池的三位科學家。圖/The Nobel Prize

電池的負極在吉野彰將負極換成石墨烯等碳材料後,至今沒有太大的變化,鋰離子電池最主要的改良還是圍繞在正極材料的改變上,我們習慣將不同的鋰離子電池依照它的正極材料來命名,例如:將鋰離子電池的正極改為鋰鈷氧化物,則稱為鈷酸鋰電池。電池發展到現在,陸續登上舞台的還有磷酸鐵鋰電池、磷酸鋰錳鐵電池、鋰鎳鈷鋁電池、鋰鎳錳鈷電池等。

哪個才是最強的電池

「三元電池」是目前市面上可量產的產品中、能量密度最高的電池,也是現在電動車的電池首選。「三元」指的是正極材料中除了鋰以外,加進了鎳、鈷、錳三種元素,具有高容量、低成本的巨大優勢。

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除此之外,材料學家發現,如果提高鎳含量,可再進一步提升單位體積的電容量。許多車廠推出的高鎳電池,其鎳含量甚至高達 80 至 90%。這種高鎳三元電池的電容量可以高達每公斤 280~300瓦時(280~300 Wh/kg),相較之下,馬斯克最愛的「磷酸鐵鋰電池」每公斤只有 140~150 瓦時(140~150 Wh/kg),僅三元電池電容量的一半。

那為什麼電動車龍頭特斯拉反而選擇了磷酸鐵鋰電池呢?就是成本考量。

磷酸鐵鋰的成分除了鋰以外,只需要常見的鐵跟磷,完全移除了昂貴的稀有金屬鎳跟鈷,在俄烏戰爭爆發之初,由於俄羅斯是鎳的生產大國,導致鎳的價格在一個月內暴漲了 250%,大大增加了高鎳三元電池的成本負擔。

另外,相對三元電池,磷酸鐵鋰電池不僅成本低,安全性也較高。

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除了特斯拉,在 2022 年電動車銷售數量超越特斯拉的中國車廠比亞迪也很愛!比亞迪自行研發的「刀片電池」用的就是磷酸鐵鋰電池,並且透過物理結構的改良,在不過多改變材料的情況下,增加相同體積中的電容量。

特斯拉電動車用的是磷酸鐵鋰電池。圖/Wikipedia

次世代電池,Taiwan can help?

科學家預估,鋰離子電池的物理極限大約就在每公斤 300 瓦時,三元電池也差不多摸到這條線了。而這個結果離「完美」絕對還有很大一段距離,因為汽油的能量密度可是每公斤一萬兩千瓦時,鋰離子電池的 40 倍!

先別失望!隨著科技進步,鋰離子電池也將進入次世代。2022 年 3 月,Gogoro 與台灣電池廠商輝能科技共同發表,將在 2024 年導入固態鋰電池,用固態電解質來取代傳統鋰電池中的液態電解液。藉此不僅重量僅有鋰電池的一半,去掉液態成分後更大幅減少漏液、燃燒的風險;更重要的是,固態電池的能量密度上看每公斤 500 瓦時,是三元鋰電池的兩倍,車主們就可以少換幾次電池。

想開電動車的車迷也可以期待,除了 Gogoro 以外,輝能科技也宣布結盟 VinFast,可望在電動車市場上掀起一波固態電池車風潮。

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這邊有個更好的消息,超越固態電池,能量密度可以逼近汽油的「空氣鋰電池」已經在研發路上。空氣電池的負極使用鋰金屬,正極則替換為氧氣或二氧化碳,成為鋰氧氣電池(Li–O2 Battery),或是鋰二氧化碳電池(Li–CO2 Battery);用氣體取代了原先沉重的金屬正極,大大提高了相同重量的電容量。

雖然空氣電池仍在研發,一樣需面對負極沉積時產生的晶鬚、安全等問題;但至少在過去 20 年,鋰電池遇到的困難已經多次被解決,電化學儲能的方式大有可為。

電動車的發展持續受到關注。圖/Envato Elements

不論是市場上電動車的銷量年年攀升,還是各國政府、車廠的全力投入,電動車主導汽車市場的未來已經清楚可見。未來會不會出現顛覆市場的電池、電動車,甚至是全新型態的交通工具,都令人期待。而在工業製程與材料改革中,「電動車是否真的有比較環保」這個問題,也希望能有個解答。

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來點刺激的研究!吃下這朵蘑菇就可以通靈、戒菸酒還能止痛……?
PanSci_96
・2024/04/11 ・6745字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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有人在討論大麻合法化,那迷幻蘑菇呢?

迷幻蘑菇這個吃了會 chill 的酷東西在國內歸屬於第二級毒品,但全世界用這玩意兒的人可不少。

它不只會出現在墨西哥的通靈體驗,神經科學家也認為它可以用來研究大腦;精神科醫師想看看它對精神疾病的療效;甚至連專門查禁毒品的 CIA,都曾經想要「利用利用」這個好東西! 迷幻蘑菇有多神奇?裡頭的「裸蓋菇素」除了讓你 chill,還有哪些神奇效果?

人類使用迷幻蘑菇已經九千年了?

九千年前就有人在吃迷幻蘑菇?

有歷史學家認為,這類致幻菇早在距今九千年前,就已經是北非原住民愛不釋手的好物,他們甚至還把菇菇們刻到岩畫裡。中美洲則有阿茲特克人當嗑菇代表,嗑的是一種名叫⋯⋯teonanácatl 的東西。我也不會念,反正大概是「眾神之肉」的意思。如今我們知道,當時他們使用的就是墨西哥裸蓋菇。當時人們認為用了它,就可以和神明溝通無礙了。

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中美洲阿茲特克人認為用了墨西哥裸蓋菇,就可以和神明溝通無礙了。
圖|PanSci YouTube

1950 年有人驗證了這件事,真菌學家高登・沃森為了更瞭解墨西哥裸蓋菇的神奇之處,來到墨西哥南部的瓦哈卡州,見證馬薩特克民族的薩滿儀式。之後,沃森的好友亞伯特・霍夫曼從這些墨西哥帶回的菇中,成功萃取出「裸蓋菇素」和「脫磷酸裸蓋菇素」。他們將藥丸送回瓦哈卡,交到了負責執行秘密儀式的巫師莎賓娜手中。1 看到莎賓娜親自服下這顆「仙丹」後回報的體驗,霍夫曼等人大喊「警察杯杯就是它」(逼)——看來古老儀式的通靈效果,八九不離十就是裸蓋菇素在那邊作怪。

不只通靈巫師,連 CIA 也想好好利用迷幻蘑菇!

裸蓋菇素的研究引起了美國中央情報局 CIA 的注意,不過不是因為什麼違法亂紀的問題,而是他們⋯⋯也想「瞭解更多」!1950年代 CIA 有項名為 MK-Ultra 2 的精神控制計畫,希望找到一些可以作為吐真劑、審訊和行為操縱工具的潛力藥物。他們的實驗藥物包括裸蓋菇素、迷幻藥 LSD、嗎啡、海洛因、一種萃取自仙人掌的致幻劑麥斯卡林等,並在監獄、醫院、學校,甚至從巧立名目的慈善基金會裡招募試驗對象。3

結果不試不知道,一試嚇一跳,裸蓋菇素的幻境令許多人為之瘋狂。據傳,曾參與這項實驗的美國歌手羅伯特・亨特曾經這樣點評這個奇幻旅程:「看在上帝的份上,請允許我保持精神錯亂吧。」雖然如此,MK-Ultra 計畫後來還是受到負評居多,畢竟這當中許多藥物都有危害健康的可能性,違反了法律裡的知情同意權之外,也踩了人道底線。

1950年代 CIA 有項名為 MK-Ultra 的精神控制計畫,希望找到一些可以作為吐真劑、審訊和行為操縱工具的潛力藥物。
圖|PanSci YouTube

除了被強迫食用,很多人也「自願」嗑菇?

1960 年代的哈佛大學心理學家蒂莫西・利禮,就在經歷過致幻菇帶來的深刻體驗後,馬上回到哈佛建立「裸蓋菇素計畫」,利用實驗室製作的裸蓋菇素,與團隊夥伴在美國麻州一棟豪宅的客廳裡集體嗑菇。

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利禮不只邀請當時主要的宗教研究者休斯頓・史密斯,以及英國作家奧爾德斯・赫胥黎加入,還前後找來了超過兩百位的受試學生。後來有大半的參與者認為,這不僅是一趟愉快的旅程,還改善了他們的生活。而且,利禮自己也嗑了一些裸蓋菇素,對此他曾解釋,研究者得跟受試者處在相同的精神狀態中,才能在實驗發生的那一刻,理解對方經歷了什麼。嗯⋯⋯真是個好藉口?但有部分人士擔心「研究致幻劑」和「促進娛樂用途」之間的界限被模糊了,也高聲疾呼研究計畫可能變相成為某種群嗑派對⋯⋯欸不是,根本就是啊!後來他與團隊中的學者夥伴,也確實陸續遭到解雇。4

「研究致幻劑」和「促進娛樂用途」之間的界限被模糊了,研究計畫可能變相成為某種群嗑派對⋯⋯
圖|giphy

所以,裸蓋菇素到底真的對身心靈有好處,還是只是讓你 chill 的迷幻藥?別急,先讓我們看看如果接觸到迷幻藥,我們的身體會產生哪些變化。

迷幻蘑菇是毒還是藥?

迷幻藥物有哪些?

除了裸蓋菇素以外,一般所說的致幻劑或迷幻藥物,還有麥角酸二乙醯胺 LSD、仙人掌毒鹼、搖頭丸 MDMA 或大麻等等,它們都能讓人產生幻覺、改變意識、扭曲知覺和情緒。5 這些具有精神活性的物質,能夠穿越血腦屏障、直接作用在中樞神經系統上,改變大腦神經的傳導。6

一般所說的致幻劑或迷幻藥物,除了裸蓋菇素以外,還有麥角酸二乙醯胺 LSD、仙人掌毒鹼、搖頭丸 MDMA 或大麻等等,它們都能讓人產生幻覺、改變意識、扭曲知覺和情緒。
圖|giphy

人們會迷戀致幻劑,通常來自於使用後思想和情緒因而改變的效果,或是體驗到情感與精神上不可名狀的愉悅。於是有些人服用這類藥物,便是為了改善心理狀態,或是緩解疼痛和壓力。

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那麼,吃下裸蓋菇素會有什麼反應呢?

這玩意吃了之後,除了造成精神層面的影響,不少研究都指出在生理方面會導致血壓上升、心率加快、瞳孔放大、視覺扭曲等方面的可能變化,也曾有調查發現,近四分之一的體驗者出現嘔吐和噁心等症狀。緊隨其後的,則是放鬆、暈眩、欣快感和視覺增強等知覺扭曲。美國國家藥物濫用研究所 NIDA 的官方資料則是提到,服用這類致幻劑,人們的行為可能會產生快速波動,比方說從激動好鬥到鎮靜放鬆。聽起來要麼嗨嗨的,要麼就是有點 chill,沒什麼不得了的,但如果劑量沒有把控好,或因為身體條件等因素,也可能會發生心律失常、癲癇、肌肉強直或急性腎功能衰竭等問題 7

為什麼裸蓋菇素能有迷幻的效果?

事實上造成迷幻感的主角並不是裸蓋菇素本人。當裸蓋菇素進到體內,會經過去磷酸化反應後形成「脫磷酸裸蓋菇素」。這個脫磷酸裸蓋菇素能和大腦皮質錐體細胞上的血清素受體 5-HT2A 結合 8,進而阻斷大腦前額葉皮質處、包含預設模式網路在內的諸多神經傳導。這邊提到的預設模式網路指的是一個存在於大腦內的網路,連接了許多區塊。與「自我意識、自我參照、內省」的腦部活動有關,通常在你放空、陷入回憶時,沒有明確任務時,這片網路就會自動開啟。而當你開始處理有目標的重要任務時,這個網路又會關閉。這樣你就知道這個網路為什麼會被稱為「預設模式」。

當裸蓋菇素進到體內,會經過去磷酸化反應後形成「脫磷酸裸蓋菇素」。
圖|PanSci YouTube

預設模式網路過度活躍,可能會導致焦慮。反過來說,當裸蓋菇素降低預設模式網路的活性,就會關閉這種自我反思的內省行為,人們的自我邊界變得模糊,導致一種「自我溶解」的感覺,放大對周圍世界和他人的開放性和連結感。這種自我意識的減弱,可以促使人們突破固有的思考模式和行為模式,使他們能夠從更廣泛、更整體的視角來看待自己和世界!

沒錯,有看過 EVA 一定馬上發現,這不就是人類補完計畫嗎!碇源堂你還造什麼使徒,直接把裸蓋菇素發下去啊!

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迷幻蘑菇的好處?

迷幻蘑菇能帶來好處嗎?

看到這裡,是不是覺得裸蓋菇素除了帶領人類進入超現實的世界,還有⋯⋯通靈之外,似乎沒什麼太大的用處?

事實上,最近幾年陸續有證據指出,在醫療監督下對病患施予裸蓋菇素,用來治療某些精神疾病是有潛力的。比方說,它能改善強迫症患者在情緒、社交、工作與生活品質上的表現 9,也能減輕憂鬱症狀長達兩週的時間 10,甚至對「重度或難治型憂鬱症」也有用。

迷幻蘑菇甚至能反過來解決患者對其他物質的濫用問題。在以裸蓋菇素輔助的心理治療中,酒精成癮患者大量飲酒的天數明顯下降。11 至於菸癮,接受兩到三次中度至高劑量的裸蓋菇素後,老菸槍們居然能戒除菸癮長達十六個月以上。12 更驚人的是,不只有菸酒,服用中高劑量的裸蓋菇素,竟然也有機會減少大麻、鴉片類藥物和興奮劑的用量。13

欸等等,迷幻蘑菇為什麼對戒菸、戒酒有幫助?

研究發現,施用裸蓋菇素也能降低情緒中心杏仁核的活性,促使情緒穩定。更能提升大腦神經可塑性,讓神經網路功能性連接能力變得更強。14 這意味著什麼呢?答案可能就是「靈活」這兩個字。

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明明嗑了迷幻藥的人看起來就超鏘(ㄎㄧㄤ),到底關靈活什麼事?大腦某些高階網路的功能異常,是促成物質濫用的元兇。15 像是執行網路,是由背外側前額葉皮質和頂下迴組成、與「操縱外部資訊」有關,還有警覺網路,是以前額葉皮質和前腦島作為關鍵連接點,負責處理外部刺激和內部訊號、分配注意力資源。16

大腦某些高階網路的功能異常,是促成物質濫用的元兇。
執行網路,是由背外側前額葉皮質和頂下迴組成、與「操縱外部資訊」有關。
圖|PanSci YouTube
警覺網路,是以前額葉皮質和前腦島作為關鍵連接點,負責處理外部刺激和內部訊號、分配注意力資源。
圖|PanSci YouTube

過去有研究發現,裸蓋菇素的使用,能降低這些網路過度活躍的問題,輔助治療物質濫用和憂鬱症。由於這些網路往往有著豐富的 5-HT 受器,加入裸蓋菇素能和這些受器作用,讓大腦任務之間的切換變得更靈活、更不受既有框架的約束。

迷幻蘑菇還能治療許多疾病?

除了精神上的難題,嗑菇還能解決一些生理症狀。主要是疼痛方面的困擾。

例如一旦發作,會出現比一般頭痛更難受,痛到想把頭給砍下來的「叢發性頭痛」。這個叢發性頭痛相當特別,它的痛點通常集中在一側眼眶周圍或顳側,也就是太陽穴附近,還常常伴隨同側眼結膜充血、流鼻水、流淚等等的症狀。而且有別於偏頭痛,叢發性頭痛在休息的時候會顯得更痛,甚至大多數就像設了鬧鐘一樣,會定時發作。17 目前在一個小小的試驗中,研究者就發現,服用裸蓋菇素可以大幅降低這種頭痛的發作頻率。18

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幻肢痛指的是截肢患者明明手臂或腿部被切掉了,卻還是能感覺到「那個部位」隱隱作痛。目前認為這種奇異的疼痛,可能源自大腦頂葉中的初級體感覺皮質區訊息重組出現一些錯誤。
圖|PanSci YouTube

聽起來,迷幻蘑菇還有很多用途等著我們去探索。

而且除了今天提到的故事,還有很多更 ㄎㄧㄤ 的迷幻蘑菇研究故事我們來不及講。例如第一個萃取出裸蓋菇素的霍夫曼,竟然也是 LSD 的發明人。

最後我們也必須提醒,現階段臺灣仍把迷幻蘑菇歸類於第二級毒品,請不要以身試法。

但我們也想問看看,如果迷幻蘑菇合法化了,你會想嘗試看看嗎?

  1. 當然,可以通靈又能放鬆,這麼好的東西我還不嗑爆?
  2. 我非常期待作為慢性疼痛與精神疾病的藥物使用
  3. 先不要好了,我看泛科學的 Shorts 就夠 High 了

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註腳

  1. A Brief History of Magic Mushrooms – How Magic Mushrooms Work | HowStuffWorks ↩︎
  2. MKUltra – Wikipedia ↩︎
  3. The CIA’s Secret Quest For Mind Control: Torture, LSD And A ‘Poisoner In Chief’ : NPR ↩︎
  4. Harvard Psilocybin Project – Wikipedia ↩︎
  5. Hallucinogen – Wikipedia ↩︎
  6. Psychoactive drug – Wikipedia ↩︎
  7. Psilocybin – Wikipedia ↩︎
  8. Vollenweider FX, Smallridge JW. Classic Psychedelic Drugs: Update on Biological Mechanisms. Pharmacopsychiatry. 2022;55(3):121-138. doi:10.1055/a-1721-2914 ↩︎
  9. Single-dose psilocybin for treatment-resistant obsessive-compulsive disorder: A case report – PMC (nih.gov) ↩︎
  10. Single-dose psilocybin-assisted therapy in major depressive disorder: a placebo-controlled, double-blind, randomised clinical trial – eClinicalMedicine (thelancet.com) ↩︎
  11. Percentage of Heavy Drinking Days Following Psilocybin-Assisted Psychotherapy vs Placebo in the Treatment of Adult Patients With Alcohol Use Disorder: A Randomized Clinical Trial | Substance Use and Addiction Medicine | JAMA Psychiatry | JAMA Network ↩︎
  12. Long-term Follow-up of Psilocybin-facilitated Smoking Cessation – PMC (nih.gov) ↩︎
  13. Frontiers | Persisting Reductions in Cannabis, Opioid, and Stimulant Misuse After Naturalistic Psychedelic Use: An Online Survey (frontiersin.org) ↩︎
  14. Emotions and brain function are altered up to one month after a single high dose of psilocybin | Scientific Reports (nature.com) ↩︎
  15. Functional and Structural Alteration of Default Mode, Executive Control, and Salience Networks in Alcohol Use Disorder – PMC (nih.gov) ↩︎
  16. Increased global integration in the brain after psilocybin therapy for depression | Nature Medicine ↩︎
  17. 醫生,我頭痛的想撞牆啊! 談「叢發性頭痛」 (kmuh.org.tw) ↩︎
  18. Can Psilocybin Treat Cluster Headache? | American Migraine Foundation ↩︎

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圖片生成 AI 這麼多,哪個好用?AI 生圖工具大評比!
泛科學院_96
・2024/04/09 ・669字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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泛科學院_96
・2024/04/04 ・555字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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