電動車的電池技術推進

我對固態電池抱持高度期待,因為它很有可能是將汽車史帶入電動車時代的關鍵推手。不管是車廠還是電池廠,誰在這條路上搶得先機,誰就能大幅提升品牌定位與價值。

大家都知道,電動車的產品力與成本大都要由電池來做決定。目前的電池主流為鋰離子電池,而這種電池的技術已發展多年,可是在電動車的應用上尚未有突破性的進展。怎麼說呢?至少到目前為止,我們並沒有看到它的製造成本、能量密度(續航力相關)、充電速度、以及抗環境溫度變化上面,有辦法符合燃油車主的需求。

話雖如此,在需求上升而不斷擴大經濟規模的走勢下,鋰離子電池電動車的製造成本持續下降,約在2025年左右就可趕上相當於燃油車的水準,到2030年甚至會比燃油車還要便宜。雖然看來是如此前景可期,但此電池其中所含的貴重金屬 - 鈷,其全球最大生產供應地非洲的剛果 ( DRC ),因爲長年戰亂而導致供應量不穩定。於是有些公司開始研究降低鈷的用量佔比,同時增加鎳的佔比的可行性,但這個做法的效果究竟是有限的。

現在最新的突破性研究是用矽來取代原是石墨的負極材質。矽對於鋰離子的鏈結容量是石墨的25倍,可以增加電池能量密度20~30%、充電速度快8倍且不會損及電池效能、抗溫度變化力更強、使用壽命加長、成本甚至更低。原本矽粒子膨脹收縮體積變化過大破裂而導致電池效能逐漸衰減的問題,最近也已被新的技術克服。這項新的技術一開始可能會用在最新推出的手機電池上,我們就拭目以待。

當然,電動車電池的明日之星,將仍會是固態電池。相較於上述的液態鋰離子電池,固態金屬鋰電池的先天優勢就是更為安全( 沒有電解液會外流,造成燃燒危機);其次,它最大的優勢就是高能量密度,可以將車子續航力再增加150%。目前除了許多電池大廠與研發單位外,車廠就屬Toyota、BMW、VW、與Hyundai 在此領域的研發進度最快。其中Toyota甚至宣佈將在2020年推出Lexus 固態電池電動車。

不過以目前尚不成熟的技術與高昂的成本,我有些疑惑2020年是否是個好時機。固態電池的最大差異就是電解質為固體,目前其材料以陶瓷為主流,但也有用新的聚合物(polymer) 來嘗試讓鋰離子傳導速度更快;此外其電極材料為鹼金屬,可容許大電流快速充電、能量密度更高、工作溫度範圍也更廣。但其技術的挑戰在於運作時溫度會較高;另外負極的金屬鋰在化學作用下需避免沈積而降低電化學反應面積。這些許多的技術關卡還擋在固態電池量產化的道路上,所以我認為還要個5年的時間其產品品質才會成熟。然後再過3、5年,成本才會具競爭力。

此外,還有很多新的電池技術在實驗階段,其中以鋰硫電池與鋰空氣電池( Li- air ) 的開發最為積極;但在2030年以前,我相信市售電動車採用的電池型式主力還是不出鋰離子與固態這兩種。