固態電池是什麼?為什麼豐田、鴻海都在拚研發固態電池、認為是未來10年電動車最重點技術

固態電池是什麼?為什麼豐田、鴻海都在拚研發固態電池、認為是未來10年電動車最重點技術

回顧2020全年,特斯拉(Tesla)交付市場近50萬輛電動車。日前,執行長馬斯克(Elon Musk)在語音社群平台 Clubhouse 上談到,特斯拉目標是2030年以前,將年生產量提升至2,000萬輛電動車,然而前方最大的障礙,就是電池技術。

說白了就是電池太貴了。 鴻海產品長蕭才祐分析,以電動車的建造成本來看,電池就占了30~35%,其次是驅動系統20~25%,也就是說超過三分之一的成本來自動力電池,這也致使電動車價格居高不下。

除了電池成本占比偏高之外,鴻華先進副總經理陳正夫補充,電動車有一半重量來自電池,造成車身比燃油車還重,「電池重量如果減少一半,車子續航力可以增加25%。」

可以說,電池技術將是未來10年,所有業者較勁的重點戰場。截至目前,全球電動車電池技術,主要由幾間大廠商掌握。

圖片來源:奧迪。電動車之所以昂貴,是因為超過三分之一的成本來自電池,若能壓低製造成本並提升效能,將是車廠決勝關鍵。

固態電池是什麼?

固態電池是一種電池科技。與現今普遍使用的鋰離子電池和鋰離子聚合物電池不同的是,固態電池是一種使用固體電極和固體電解質的電池。

由於科學界認為鋰離子電池已經到達極限,固態電池和石墨烯電池於近年被視為可以繼承鋰離子電池地位的電池。固態鋰電池技術採用鋰、鈉製成的玻璃化合物為傳導物質,取代鋰電池的電解液,大大提升鋰電池的能量密度。

10年前看準市場需求,寧德時代穩坐電池之王

根據市場分析公司 SNE Research 的數據,2020年電動車電池市占率前三大,依序是中國電池製造商寧德時代(CATL),市占達24%;南韓LG能源方案(LG Energy Solution)和日本Panasonic(松下)分別為23.5%和18.5%。這3家業者也都是電動車龍頭特斯拉的電池供應商。

從2017年起,寧德時代連續3年拿下全球電動車電池供應量第一,客戶幾乎涵蓋全球各大車廠:豐田(Toyota)、本田(Honda)、BMW、現代(Hyundai)、戴姆勒(Daimler)等。

寧德創辦人曾毓群,先前是新能源科技(ATL;主要生產手機電池)共同創辦人,在2011年看準電動車產業的趨勢後,回到家鄉福建寧德,成立寧德時代。曾毓群預言,2030年前電動車將比油車便宜,汽車更將在2040年實現全面電動化。

寧德時代之所以穩坐市占第一,要從電池原料路線之爭說起。鋰電池可以分為「鎳鈷錳(NCM)」、「鎳鈷鋁(NCA)」,以及「磷酸鋰鐵(LFP)」兩派組合,不過前兩者的缺點是碰撞後容易起火爆炸。寧德時代主力生產磷酸鋰鐵組合的電池,優點是價格便宜、安全性高,因此獲得特斯拉等車廠大量採用,寧德時代才得以稱王。

圖片來源:奧迪

Model 3變便宜的幕後推手

研究機構 Bernstein Research 指出,中國製 Model 3使用更輕巧、便宜的磷酸鐵鋰電池,使得每輛車的製造成本下降約600~1,200美元。

不過在特斯拉全車系中,主要電池供應商是 Panasonic。自從2008年收購三洋電機,取得手機鋰電池、太陽能電池的關鍵技術後,Panasonic 躍升為全球電池技術領頭羊。

在車用電池的核心產品上,Panasonic 採用的是鎳鈷鋁系統。這項技術在平板電腦、智慧型手機等3C產品上很常見,應用於電動車上卻難度倍增,因為鎳鈷鋁鋰電池的能量密度是主流車用電池「磷酸鐵鋰電池」的好幾倍,需要很高的合成技術才能量產。

在2020年「電池日」(Battery Day)上,特斯拉公布新款「Tabless 4680電池」,也是跟 Panasonic 合作生產。Tabless 4680採螺旋式包裝,在相同的電池容量下,空間可擴大30%,讓電池能量密度提升5倍、續航力增加16%、製造成本降低76%,可望使得特斯拉「每千瓦/時」(kWh)價格減半,進而帶動售價接近一般燃油車。

圖片來源:Tabless。Tabless 4680採螺旋式包裝,在相同的電池容量下,空間可擴大30%,讓電池能量密度提升5倍、續航力增加16%、製造成本降低76%。

未來電池:不用鈷、固態取代液態

要降低電動車的成本,並提高續航力與效能,電池的技術必須有所突破。

原料,是第一個需要突破的關鍵。 目前主流的鎳鈷鎂、鎳鈷鋁、鎳鈷錳等鋰電池組成形式,皆有「鈷(cobalt)」這項關鍵原料,可說是「現代石油」。由於鈷具有穩定物質、增加能量密度的特性,能確保電池壽命及充電速度,因此短期內電池產業都無法棄鈷而不用。

然而,長期來看,科技界希望能做出不使用鈷的電池。首先,鈷屬於稀有金屬,價格比鎳高出1倍以上,成為電池價格降不下來的主要障礙。其次,開採鈷的過程中會造成嚴重污染,甚至牽扯到剝削非洲童工的問題。

在2021年消費電子展(CES)上,Panasonic(松下)已表示將投入開發不使用鈷的電池;IBM Research 電池實驗室也致力研發不需要金屬原料的電池技術,只要5分鐘就能充飽80%電力,並將與戴姆勒投入實際測試;通用汽車(GM)也宣布,其新電池將減少70%的鈷用量。

 

圖片來源:shutterstock。鈷屬於稀有金屬,價格比鎳高出1倍以上,且開採的過程中會造成嚴重污染,甚至牽扯到剝削非洲童工的問題。

安全性與效能,則是第二大關鍵。 電動車常見的乾電池或鋰電池,都是「液態電池」,要放入膠狀電解質,才能發揮電池性能。

液態電池的缺點是溫度過高或過低,都容易影響電池效能;即使使用快充,最快也要20~30分鐘才能充飽電,續航力多落在300~400公里;此外,液態電解液有外漏的危險,容易引發意外。

為此,科學家提出「固態電池」的構想,將電解液移除,改以全固態方式堆疊,不會因隔離層破損就導致正負極接觸短路爆炸,能量密度也提高,在負25℃~60℃的溫度範圍都能正常運作。

目前燃油車加滿油,續航力約為500公里,為解決里程焦慮,蔚來汽車喊出要研發採用固態電池、續航力達1,000公里的電動車,電池技術若能突破,將成為電動車普及一大推力。

目前之所以市面上還看不到固態電池,主要是有許多技術問題待突破,像是固態電解質導電度不如液態電解質等,除了技術不成熟外,製造成本仍高,不利於大規模製造普及。不過研究機構彭博能源財經(BloombergNEF)預估,固態電池若能大規模的生產,成本將只有鋰電池的40%,有機會成為電動車電池的主流。

圖片來源:數位時代

鴻海喊話:2024推商業化固態電池

向來以油電混合車技術稱霸的豐田汽車,已宣布投入固態電池研發,宣稱配有固態電池的電動車,續航里程超過500公里,使用快充最快10分鐘就能充飽電。日本專家預測,配有全新固態電池的次世代豐田 Prius 車款,最快可能在2022年上市。

近來積極進攻電動車市場的鴻海,也在2020年10月16日首度舉辦的「鴻海科技日」中宣布,將投入固態電池技術以及「電池快充與低溫優化」、「低鼓脹軟包技術」、「高能量密度電池」、「無貴金屬全新製程」等技術研發,目標在將電池重量減半、體積減少為六分之一,電池循環壽命提高10%以上。鴻海產品長蕭才祐透露,預計在2024年,鴻海就會推出首款商業化的固態電池。

同樣致力研發固態電池的新創 QuantumScape,也受到不少關注,已經從比爾蓋茲、福斯汽車(Volkswagen)等投資者手中獲得超過5億美元融資。其中福斯汽車是最大金主,從2012年合作迄今,挹注至少3億美元。

2020年12月,QuantumScape 透過線上活動披露一款全新電池,可在15分鐘充飽80%電力,讓電動車續航力提升90%,同時降低製造成本,預計在2025年推出配有這款電池的電動車。不過,QuantumScape 目前仍未向外界展示過實際產品。

 一旦克服電池技術的障礙,相信離電動車普及的那天,也就不遠了。

▶ YT頻道兩萬訂閱活動,送你萬元「OVO K1 智慧投影機」

使用 Facebook 留言

發表回應

謹慎發言,尊重彼此。按此展開留言規則