（０７）豐田也採用的「雙極型電池」，其提升輸出電能的機制為何？
２０２１年７月１９日豐田汽車開始發售ＡＱＵＡ型油電混合車（ＨＥＶ）的完整改款版本。這個新款的ＡＱＵＡ是世界首創使用「雙極型鎳氫電池」的車型，因此媒體爭相報導而在各地引起了很大的話題。此外，在２０２１年９月７日舉辦的豐田汽車「電池．碳中和說明會」上，他們也公開宣示未來還會增加使用雙極型鎳氫電池的車型。
因此這篇將會來說明何謂「雙極型電池」，以及這種電池和以往的電池有甚麼不同。
雙極型電池是怎樣的構造？
「雙極（Bipolar）」顧名思義，就是類似磁鐵一樣，將正極與負極兩個電極合併在一起的電池構造。以前的電池是由各自獨立的正極電極板與負極電極板所構成的，但雙極型電池，卻是只靠一片「集電體」、在單面塗布上正極、另一面塗布上負極形成的電極板就能做到兩種電極的功能。
以下是雙極型電池的構造示意圖與傳統型電池的比較
和傳統型電池相比，雙極型電池從構成電極的集電體開始、連結各個電池組（Cell）的端子、區分各個電池組的外殼等等零件，通通都可以減少，而具有體積較小的特徵。其結果就是在同樣的尺寸體積下，雙極型電池可以裝入更多的電池組（Cell）。
而雙極型電池的另外一個重大好處，就是可以降低電池內部的電阻。相對於傳統型電池需要有端子來連接數個電池組，雙極型電池可以直接在內部直線堆積起電池組。由於電阻和通電距離成正比、和面積成反比，雙極型電池的電極塗布區域成為了電流的通路、而且還是以最短距離連接，其內電阻是大大降低，並且提升了電池的電量輸出。
以豐田汽車搭載於新型ＡＱＵＡ上的雙極型鎳氫電池而言，與傳統型的鎳氫電池相比，得到了「每個電池組的輸出提升約１．５倍」ｘ「因為微型化，同樣空間內可裝入的電池組提升了１．４倍」的結果，因此豐田官方宣稱這種新型電池大約提高了兩倍的輸出。
雙極構造要到達實用化的障礙
如以上所述，看起來比起傳統型電池有很多好處的雙極型電池，其構造絕對不算是甚麼新鮮的東西，早就在電池相關的技術專家之間開始檢討了。不過，這種構造並不是只有優點，而是有許多課題需要克服，一開始是被認為成相當困難的一種技術。
好比說，由於傳統電池的正極與負極是互相獨立的設計，所以可以各自找尋適合的集電體來製造；但雙極型電池的集電體必須給正負極共用，在物性與價格上都會產生很多材料選擇上的限制。
除此之外，電極活性物質大多有在充放電之間發生體積變化（膨脹或收縮）的現象。在正極與負極同在一個集電體上成為正反面的雙極型電池上，其中一面的體積變化，會連帶影響到另外一面去，造成了電極塗布面剥離而使得壽命特性下降或是集電體內部破損而出現內部短路的疑慮。
其實雙極型電池最大的課題，還在「電解液」之上。如前述的參考圖所示，雙極型電池內部的電池組是直線堆疊起來的狀態。這個構造在降低電阻的好處之外，相反地如圖所示，當電池組裝起來時，共通的電解液散佈到數個電池組之間，就很容易造成各個電極彼此之間出現離子短路（液體短路）的狀態。這樣不論對正常的電池反應、或是對確保安全性來說，都是幾乎無法期待的可怕狀態。
為了防止這種離子短路問題，只好確實構築起電池組之間的隔間，必須密封到電解液不會漏到相鄰的電池組之中，但這種複雜纖細的構造，又讓好不容易獲得的簡化零件好處變差了，而且還會要求組裝精度提高，造成製造難易度大幅提升。
特別是對於預期要在強大振動與衝擊環境底下工作的車載電池而言，並不會喜歡擁有這種要求纖細構造的液體密封性。因此，雙極型電池的設計趨勢就是希望能在最簡單的構造下維持電解液密封性、讓電池的製造品質穩定。不過這樣的目標非常困難，所以除了鎳氫電池以外，還有其他各式電池系統被提議出來，只不過仍然很難到達實用化。
基於以上的技術難度背景，就可以想像出豐田的雙極型鎳氫電池竟然能到達量產與實用化的水準，水面下是有多強大的技術研究來支撐著。
鎳氫電池以外的雙極型電池
如前所述，值得注意的是這種雙極型電池僅僅是一種電池構造上的技術，而不限定只有鎳氫電池才能使用。就連前述的豐田汽車的「電池．碳中和說明會」上，豐田答覆提問之時，也說了暗示會將雙極型電池的技術推展到鋰離子電池的回答。
其實近年來，各家公司也發表了鎳氫電池以外的各式各樣雙極型電池的報告。
比如說，古河電氣工業與其子公司古河電池在２０２０年６月９日，共同發表了聯合開發的「雙極型鉛蓄電池」。而這種電池就是一般車上拿來當作輔助電源的電瓶鉛蓄電池的雙電極版本。升級成雙極型之後，而傳統的鉛蓄電池相比，能量體積比提升了約１．５倍，而能量重量比則是提升了將近兩倍。
當然，這種新型雙極型鉛蓄電池的能量密度還是比不上鋰離子電池，但在建構系統時，這種電池與鋰離子電池之間不用維持必要的間隔距離，提升單位面積下的能量儲存量，可以讓空調或溫控設備簡略化，看起來有更多靈活的應用。
此外三洋化成工業集團公司，則是致力於研究「雙極型鋰離子電池」的ＡＰＢ。這種電池的特徵是「電極合材」、「電解質」、「集電體」等等全部的構成材料都是塑膠（Polymer），因此稱為ＡＰＢ（All Polymer Battery，全塑膠電池）。
之所以要將構成材料全部設計成塑膠，正是前述雙極型電池的三大課題其中之一的對策：
集電體材料選擇→採用有導電性的塑膠來做為集電體。
充放電時的體積變化→藉由塑膠材料特有的彈性來吸收。
電池組之間的液體短路→電解質的膠狀聚合物化（樹脂化）來降低流動性
除此以外，如果使用電阻大的塑膠材料，在短路時也不容易有大電流通過，而獲得了比起傳統鋰離子電池異常發熱或起火風險低的好處。
而且藉由雙極型的構造可以降低必要零件的數目、全塑膠化也可以讓製造工程變得簡略，使得這種全塑膠電池比起傳統鋰離子電池有更大的價格成本優勢。
因此三洋預定活用這種安全且低成本的特徵，先以定置用電池的應用為目標，來進行單一型號大量生產的計劃。目前似乎還沒有往各家有不同電動車需求的汽車製造商推銷的打算，但仍然很令人期待未來的發展。
雙極型構造與全固態電池
如前所述，雙極型電池最大的課題就是使用電解液造成各電池組之間的液體短路。如果是本連載的忠實讀者，說不定已經注意到期解決方法之一就是不要使用電解液，換句話說，就是做成「全固態電池」的形式就可以了。一般來說全固態電池經常被提出的優點中，並不是只有使用固態電解質而已，其實也包含著有機會做成雙極型構造的念頭。
在２０２１年９月１６日，電池大廠Ｍａｘｅｌｌ就發表了雙電極型全固態電池的樣品開始出貨的消息。這反映了這種雙極型電池有機會實現高電壓．高輸出的特性。
總之，雙極型電池在未來仍有很大的發展空間。
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