稱霸世界近30年的「液態鋰電池」遭遇強力競爭者,未來有望成為電動車標配嗎?

稱霸世界近30年的「液態鋰電池」遭遇強力競爭者,未來有望成為電動車標配嗎?
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我們想讓你知道的是

鋰電池是目前全球各大汽車集團偏愛的主流電池配方,但層出不窮的電動車火燒車事件卻讓大家很頭疼,而「固態電池」出現則解決了當前困擾動力電池產業的兩大根本痛點:安全問題和能量密度。

文:李旭弘(一個理工門外漢,卻一路走在電動車浪潮的風口浪尖上。大跨度歷練消費電子、工業電腦、電動車、儲能等產業,見證臺灣車企自主品牌的由盛轉衰,最後投入電動車固態電池的市場開拓,冷靜剖析市場趨勢,熱情推動市場發展,現擔任輝能科技戰情室經理及綠學院綠色帶路人)

如果前些年有人跟你說,有一種電池比鋰電池更厲害,能量密度更高、壽命更長、充放電速度更快,而且成本更低,那麼他一定是在騙你。

然而,正由於科技進步到哪,我們就進化到哪,我今天可以放心地用綠學院常說的「演化思維」跟你宣布,經過十多年的研發,終於有一種電池接近上述的各項驚人特質,而且近幾年陸續開始小批量試生產,預計在未來十年內可以量產,挑戰稱霸世界近三十年的液態鋰電池(Lithium Ion Secondary Battery),這顆閃亮的星星就是固態電池!

我們之前文章〈如何判斷電池技術大突破是世紀大騙局還是真革命?〉為你分析六個判斷電池技術潛能的基本邏輯:

  1. 高能量密度:能量密度指的是在一個固定的體積下,可以釋放多少能量,你可以理解成你拿著兩個同樣大小的寶特瓶,一個寶特瓶裝汽水,另一個寶特瓶裝汽油,後者的能量密度自然是高於前者。業界除了體積之外,重量也是另一個衡量的標準
  2. 壽命長:充放電次數多,電池與車同壽,同時也減少廢棄物
  3. 充放電速度快:一來透過較快速的放電提供足夠力量推動你的車子;二來急用時能較快速的速度補充電能
  4. 耐熱耐寒:最好能適應極端氣候,否則在冰天雪地裡電池掛了,車子就不能開了
  5. 安全性高:通常指的是不容易爆炸,這你可能覺得是天經地義,但要知道安全則代表材料必須穩定,而穩定通常意味著能量密度低,這兩者之間有矛盾,必須取得平衡
  6. 達到可商業化的成本:研發階段成本一定很貴,但落地到可商業化的規模,就要評估這個材料降價的潛能

要找到能符合以上所有條件的電池,就像找到超完美嬌妻一樣,目前人類能找到最接近的,沒意外,就是鋰電池。因此,磷酸鐵鋰和鋰三元電池以秋風掃落葉之勢,攻佔幾乎所有的儲能電池及動力電池市場,在動力電池方面,鋰電池是目前全球各大汽車集團偏愛的主流電池配方。

鋰電池是目前全球各大汽車集團偏愛的主流電池配方

但層出不窮的電動車火燒車事件卻讓大家很頭疼。

磷酸鐵鋰和鋰三元電池的運作邏輯都是讓鋰離子像游泳選手一樣,在電解液中游泳,前者壽命長、安全性高、成本低廉,但能量密度低;後者能量密度高能支援快充,但壽命短、安全性不高。

以特斯拉為例,雖然使用最頂尖的Panasonic電池技術,能量密度也即將接近現有液態鋰電池技術的極限,但層出不窮的火燒車事件,一個官司就可能讓車廠傾家蕩產。

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車廠要對其設計負責,因此他們其實很頭疼。儲能系統比較常用磷酸鐵鋰電池,因此純電池發生火災的事件較少,但韓國過去兩年有超過三十起儲能系統火災,新聞討論多關注鋰電池安全性。不管是不是真的是電池造成火災,這些層出不窮的事件都直指一個問題,就是我們必須想辦法讓鋰電池更安全。

固態電池解決了當前困擾鋰電池

尤其是動力電池產業的兩大根本痛點:安全問題和能量密度。

於是,這就給了固態電池一個機遇。其實固態電池也是鋰電池家族成員之一,只是一般鋰電池電解液是液態,而固態電池使用的電解液則是固態,因此命名與液態電池區隔出來。

固態電池看似只是換了一種電解液的形態就如此被重視,就是因為其在理論上解決了當前困擾鋰電池,尤其是動力電池產業的兩大根本痛點,即安全問題和能量密度。

固態電池改用固態電解質,因此可以避免漏液的問題,且因固態電解質具有較強的阻隔正負極效果,較不易生成鋰枝晶而造成短路,安全性自然較高。能量密度的部份,由於固態電池的安全性,故正負極可以選用能量密度更高的材料,例如負極採用鋰金屬或是正極採用NCMA混合物等,使其能量密度有機會超過鋰三元電池。

不過我們也可以想像到它的侷限,因為鋰離子就像游泳選手一樣,不斷在正、負極間來回游動,當鋰離子必須在固態介質內游動時,速度一定會比較慢,所以一般固態電池較不適合用來快速充放電,這就是它必須突破的挑戰。

三種固態電池技術路線

根據固態電解質材料的不同,目前產業界將固態電池分成聚合物、硫化物和氧化物三大技術路線,其中聚合物屬於有機高分子電解質,硫化物與氧化物屬於無機陶瓷電解質。

  • 技術路線一:聚合物

聚合物電解質主要由聚合物基體與鋰鹽構成,當你讓它處於高溫狀態時,鋰離子游得比較快,所以把配方和溫度調一調,就可以得到高能量密度,因此成為最先實現產業化的技術方向。但這種電池的最大缺點是它得保持在加熱狀態才能保有較佳的效能,現在碳中和的壓力這麼迫切,除非都用綠能加熱,否則這條技術路線離商業化仍有一定距離。

  • 技術路線二:硫化物

無機陶瓷電解質包含硫化物與氧化物,其中硫化物的活性較高,不需額外進行加熱,但缺點是電解質和正負電極之間的界面電阻較高,鋰離子游動的速度會比較慢,充放電速度較差。

除此之外,硫化物還有兩大缺點,硫化物固態電池接觸空氣容易產生有毒性的硫化氫,如何維持安全穩定性及避免與空氣進行化學反應是一大要點;加上硫的高活性,生產設備及生產環境的特殊需求將造成高昂成本,這都對未來的量產帶來隱憂。

  • 技術路線三:氧化物

氧化物電解質最大的優點是安全,因此在三大技術路線中,它的安全性最高,但研發難度也最高。氧化物固態電池一旦破裂毀損後,不會產生硫化氫,但因活性不如硫化物,因此鋰離子游動的速度更慢,充放電速度相較於聚合物及硫化物較差。

看到這裡,你可能覺得這三條技術路線都看起來都還只在研發階段啊,怎麼可能挑戰液態鋰電池,先別急,下一篇,我們繼續來為你分析他們現在各自的發展狀況,以及在哪些應用場景已經有他們的足跡。

本文經綠學院授權轉載,原文刊載於此

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責任編輯:丁肇九
核稿編輯:翁世航


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