如果你曾在寒冷的冬天早晨遇過汽車難以發動，甚至完全無法啟動的情況，就會知道一般電池並不適合極端低溫環境。這也是美國國家航空暨太空總署（NASA）研究人員致力研發新型電池的原因，希望讓電池能在月球南極的嚴寒環境中運作。當地夜間溫度可驟降至華氏零下328度（攝氏零下200度）。
如果你曾在寒冷的冬天早晨遇過汽車難以發動，甚至完全無法啟動的情況，就會知道一般電池並不適合極端低溫環境。這也是美國國家航空暨太空總署（NASA）研究人員致力研發新型電池的原因，希望讓電池能在月球南極的嚴寒環境中運作。當地夜間溫度可驟降至華氏零下328度（攝氏零下200度）。
NASA蘭利研究中心SPEARS計畫測試與研究負責人Yi Lin，手持一顆剛完成熱真空測試的小型鈕扣型電池。（圖／NASA、Ryan Hi）對未來的月球任務而言，電池必須能在加熱後立即運作，並為各種設備供電，從太空人的緊急裝備，到能夠探索月球最幽暗隕石坑的偵測車，同時還必須避免引發火災的風險。
NASA研究團隊正致力實現這些目標。這項計畫名為「太空極端環境適應性與韌性固態電源」（Solid Power for Extreme Environment Adaptability and Resilience in Space，簡稱SPEARS），未來可能成為NASA透過「阿提米絲計畫」（Artemis）推動人類長期駐留月球的重要供電技術。
NASA位於俄亥俄州克里夫蘭的格倫研究中心（Glenn Research Center）負責主導這項計畫。SPEARS計畫首席研究員Donald Dornbusch表示：「電池已成為我們地球生活中不可或缺的一部分，讓筆記型電腦、手機、電動工具，甚至汽車都能運作。我們在月球上同樣需要電池，而且這些電池必須能在嚴苛環境中可靠、安全地運作，這正是我們投入這項技術研發的原因。」
液態電解質面臨極端環境挑戰 固態電池成解方
傳統鋰離子電池，例如手機及筆記型電腦使用的電池，存在一項關鍵弱點：必須依賴液態電解質。如果將一般電池冷卻至月球夜間的低溫，電解液就會結凍，可能造成電池損壞。若溫度過高，例如月球白天可達華氏212度（攝氏100度），電池則必須等到降溫後才能運作。若將電解液暴露在太空真空環境中，還會發生蒸發現象。
SPEARS電池透過以陶瓷或聚合物為基礎的固態材料取代液態電解質，試圖解決上述問題。這項改變可能帶來多項優勢，其中最重要的，就是讓電池有機會在高溫及極端低溫環境下運作。
近期，NASA位於維吉尼亞州漢普頓的蘭利研究中心（Langley Research Center）進行熱真空測試，結果顯示，小型原型電池芯在華氏176度（攝氏80度）至華氏零下76度（攝氏零下60度）的環境下，都能維持良好運作；即使降至華氏零下112度（攝氏零下80度），仍可運作，但性能略有下降。
NASA蘭利研究中心SPEARS計畫測試與研究負責人Yi Lin表示：「我們首次證明，這些電池芯能在攝氏零下80度的環境中運作。」
Yi Lin也表示，他有信心在未來幾年進一步改善電池性能，甚至擴大可運作的溫度範圍。
這些電池還必須能承受月球晝夜之間劇烈的溫度變化，並維持可靠性。熱真空測試顯示，SPEARS電池即使暴露在華氏212度（攝氏100度）至華氏零下274度（攝氏零下170度）的極端溫度環境後，也不會受到損壞。
不過，即使是固態電池，在華氏零下274度的低溫下也無法運作。但由於固態電解質不會像液態電解質一樣結凍，因此電池仍能承受這種極端低溫，而不致受損。
為了讓電池在經歷如此低溫後重新運作，就需要使用小型加熱器。SPEARS電池不必持續保持溫暖，只需要在使用前加熱至可運作的溫度即可。這可能降低太空船及月球居住設施對大型熱管理系統的需求，進而減輕設備重量、降低成本，並延長任務執行時間。
從月球到地球 固態電池應用潛力廣泛
這類固態電池的應用範圍相當廣泛，從必須在月球陰影隕石坑中運作的鑽孔工具，到月球車及太空人的緊急供電裝備，都可能使用這項技術。此外，也有機會為長期運作的科學儀器提供電力。
Lin表示：「我們可以透過使用不同的電極材料來調整電池的化學組成。就像耳機使用的電池化學組成，與手機及汽車使用的不同，但這些不同的化學組成都能搭配固態電解質運作。我們可以根據應用需求，調整電池的能量、功率或耐用性。」
雖然SPEARS是為太空環境設計，但相關技術未來也可能衍生出地面應用。事實上，SPEARS就是從Lin與Dornbusch先前參與、以航空應用為重點的電池研究計畫發展而來。
NASA蘭利研究中心聚合物材料科學家、研究工作負責人Ji Su表示：「固態電池的潛在市場非常廣泛，包括汽車、手機、通訊設備、無人機，以及任何需要可攜式電源的設備。」
SPEARS計畫於2026年啟動，經費來自NASA研究與技術任務局（Research and Technology Mission Directorate）旗下先進研究與技術部門（Advanced Research and Technology）。
計畫初期將以技術開發為重點，未來可能進一步轉向商業合作。NASA位於加州矽谷的艾姆斯研究中心（Ames Research Center），目前正投入開發測試板、電子設備等飛行硬體，協助SPEARS電池做好太空飛行準備，並在太空環境中進行測試。
資料來源：NASA
這篇文章 NASA研發新型電池 為人類重返月球提供電力 最早出現於 科技島-掌握科技新聞、科技職場最新資訊。
