吳明勳 副教授

國立成功大學機械工程學系

---

當我們談到能源時，往往關注它的來源：太陽、風、水、煤、油或氫。但一種能源是否實用，背後其實還有一個容易被忽略的指標 – 能源載體的能量密度（Energy Density）。這過聽起來有些技術性的名詞，卻主導了從手機電池到汽車引擎，從飛機到火箭所使用的能源選擇。

試想你今天要登山，準備一整天的食物。你會帶上一大袋蔬菜，還是幾包巧克力和堅果？如果你不想增加背包的大小與重量，大概會選後者。這正是「能量密度」概念的日常體現。蔬菜水分多、熱量低，雖然健康，卻佔空間又不耐餓。巧克力和堅果體積小、重量輕，卻能提供大量熱量，是登山客的理想食物。能源也是一樣，同樣重量或體積，誰能提供更多能量，往往是關鍵的實用性準則。

從物理定義來說，能量密度有兩種常見形式：質量能量密度（每公斤能提供多少百萬焦耳能量，MJ/kg）和體積能量密度（每公升提供多少百萬焦耳能量，MJ/L）。對飛機這種對重量極度敏感的交通工具而言，質量能量密度至關重要。而對汽車或儲能設備這類空間有限的系統來說，體積能量密度也同樣重要。

讓我們來看看一張能量密度的對數圖。在這張圖中，橫軸是質量密度，縱軸是體積密度，不同能源宛如散佈在銀河的星辰。傳統燃料像汽油，質量與體積密度皆高，是使用廣泛的高效燃料。液態氫的體積密度偏低，需極低溫儲存，但質量密度極高甚至超越汽油，通常用於火箭推進。鋰電池則落在左下角，兩種密度皆相對偏低。而巧克力出乎意料地位鋰電池之上，可說是熱量極高的「食物能源」。不過別高興太早，人體的能量轉換效率只有約 20%，而鋰電池供電轉換效率可高達 90%。這也提醒我們，能源密度固然重要，但轉換效率與用途適配性也同樣關鍵。

 

整體而言，液態與固態燃料通常有較佳的能量密度，集中於能量密度圖右上角。氣態燃料因密度低，體積能量密度明顯受限。而現今電池的能量密度則偏低，分布於能量密度圖左下角。這樣的差異，直接影響了能源的應用場景。飛機若使用鋰電池取代航空燃油，即使裝滿整架機身，其儲能仍不及傳統油箱的一半。因此，目前飛機依舊倚賴高能量密度的航空燃油，未來則有望轉向能量密度相當但碳排更低的永續航空燃料（SAF）或液態氫。

在地面上，電動車的限制則沒那麼嚴苛。雖然鋰電池的密度遠不如燃油，但車輛可以容納較大的電池組，技術上也較易控溫與充電，因此逐漸普及。至於超級電容雖然能瞬間釋放大量能量，卻因儲能能力太低，僅適合用在煞車回收或瞬間啟動等場景。手機與筆電廣泛使用鋰電池，是因為它穩定、可重複充電、模組化，即使密度不高，仍能滿足小型電子裝置的能源需求。

高能量密度往往伴隨高反應活性與潛在風險，要兼顧安全、效率、成本與壽命，始終是工程設計的挑戰。我們尚未找到同時兼顧所有優點的「完美能源」，因此現實中多種能源形式並存，依照不同應用場景做出合適配置，是更務實的選擇。

 

參考文獻：
[1] Efficiency of the Human Body – Body Physics: Motion to Metabolism: https://openoregon.pressbooks.pub/bodyphysics/chapter/human-metabolism/#footnote-1067-1