【科技.未來】滿足五大關鍵需求 固態電池可助電動車成為主流?

撰文:
最後更新日期:

儘管鋰離子電池的能量密度和壽命在過去十年穩步上揚,但電動車在各種性能指標上仍落後於使用內燃機的汽車。例如大多數電動車的航程不足300英里、充電需一個多小時、電池容量在十年內損失近三分之一,並因為用上易燃材料而構成嚴重安全風險。

要解決鋰離子電池的問題,固態電池是一個已知數十年、理論上可行的答案,但一直沒有人能製造出耐用、便宜又安全的版本。去年9月,QuantumScape聲稱已經解決了固態電池的關鍵技術難題,上月初還提供了實驗數據。

鋰離子電池的出現大大推動了電動車的發展,但其局限亦阻礙了電動車普及化。固態電池或有助電動車解決充電時間長的問題。

四十年電池難題

據QuantumScape公布的資料,其固態電池可在15分鐘內充電至80%滿(汽車雜誌《MotorTrend》去年曾進行測試,Tesla的V3超級充電站在37分鐘內將車款Model 3的電量從5%充至90%)。電池在800次充電周期—相當於駕駛24萬英里後,仍可保留80%容量。

固態電池的概念很簡單,是將鋰離子電池內使用的液態電解質改為使用固態電解質。當不再使用易燃的液態電解質,理論上更安全。QuantumScape的電池大約相當於一張撲克牌的大小和厚薄。它的陰極(cathode)由鎳錳鈷氧化物(NMC)製成,是當今電動車電池中的常見物質。現時鋰離子電池的陽極(anode)主要由石墨製成,因為它易於儲存在電池中來回穿梭的鋰離子;但QuantumScape和其他固態電池的陽極完全由鋰金屬製成。

固態電池使用固態電解質,應可比傳統使用液態電解質的鋰離子電池,能量密度更高。(來源:Toyota)

QuantumScape的第一個突破之處,開發出一種固態陶瓷物質,同時作為電池電解質和隔膜。它只有幾十微米厚,並可抑制枝晶形成,還容許鋰離子輕鬆地來回移動。由於電解質在電池陰極一側是某種形式的凝膠,所以它不是完全固態電池。QuantumScape的另一突破是,其固態電池採用「無陽極」設計。充電時,電池陰極一方的鋰離子會穿過隔膜,在隔膜的另一側與電池的電力接觸點之間形成一層鋰,是為暫時的陽極。電池放電時,這層鋰幾乎完全回到陰極。這樣陽極就毋須使用任何不直接參與儲存能量或攜帶電流的材料,從而進一步減少電池必要的重量和體積,增加能量密度。該公司還聲稱這應可降低製造成本。

美國卡內基梅隆大學機械工程系副教授、QuantumScape技術顧問Venkat Viswanathan形容,固態電池被視為行業的「聖杯」。他說有份開發鋰離子電池的2019年諾貝爾化學獎得主Stan Whittingham,早於1976年發表了一篇有關鋰金屬陽極的論文,並稱之為「新電池系統的基礎」。Viswanathan說:「這個問題已有四十多年歷史了。如果鋰金屬電池成功,代表着在大眾市場之電動車和消費電子產品中,在相同重量的電池組下,可以分別得到額外50%的航程或電池使用時間。」QuantumScape聲稱其電池體積容量密度超過每公升1,000瓦時,估計比鋰離子電池多50%至100%,電動車航程可增加逾80%。

QuantumScape開發出一種彈性的固態電解質及電池隔膜,惟行政總裁Jagdeep Singh以商業秘密為由未有透露所用料質。(QuantumScape)

打進「98%市場」

QuantumScape行政總裁Jagdeep Singh認為,實驗結果證明了該公司的電池可滿足五個關鍵的消費者需求:更低成本、更遠航程、更短充電時間、更長壽命和更安全;而這些都是令電動車一直在美國只佔新汽車銷量不足2%的因素:「任何能夠滿足這些要求的電池,都可以讓你開啟本來無法打進的98%市場。」他補充:「今天的電池沒有競爭力。它們沒有足夠的能量密度來滿足所需航程,沒有能力快速充電。今天最好的電池大約要花一個小時才充滿電,但顯然汽油車在5至10分鐘內就能入滿油。」

QuantumScape獲一些投資者支持,其中,德國福士已投資逾3億美元。兩者共同成立了一間合資企業生產電池,預計在2024至2025年開始生產,會應用到福士的私家車和貨車上。投資者還包括微軟(Microsoft)創辦人蓋茨(Bill Gates)和昇陽電腦(Sun)創辦人Vinod Khosla。電動車以外,Straubel還預期:「有了這種能量密度和功率,電動航空就會變得吸引和可行。」

QuantumScape的固態電池。(QuantumScape)

群起追逐「聖杯」

現時,幾乎每個汽車製造商都視電動車為未來,不少大國和大型汽車市場正逐步淘汰以汽油為動力的私家車和貨車。在這股潮流下,擁有逾1,000項相關專利的日本豐田汽車可能是固態電池的領先者。這間全球最大汽車製造商計劃成為第一間在2020年代初銷售配備固態電池的電動車公司。豐田正與松下(Panasonic)合資的公司開發、生產和銷售固態電池,原計劃在2020年東京奧運會上發布使用這種電池的電動車,雖然計劃因疫情而延期,但動力總成部門副主席海田啓司說,豐田仍按照進度將於本年推出固態電池原型,並跟福士一樣可於2025年開始生產。另一日本車廠日產(Nissan)也計劃開發固態電池,預計2028年應用於電動車。

除QuantumScape外,另一初創公司Solid Power亦已研製了一款可運作的固態電池。其行政總裁Doug Campbell指,已經生產出更大型的固態電池,可能更為接近用於電動車的規格。他們自去年第二季起在位於美國科羅拉多州的工廠試點生產線上,生產具十層的電池原型。

Solid Power的固態電池。(Solid Power)

Solid Power已經與多間汽車製造商如福特(Ford)、寶馬(BMW)、現代(Hyundai)等建立了合作關係。Campbell計劃在2022年將其固態電池作汽車零件規格驗證,他預期:「假設一切不變,而且代工生產商(OEM)的運作步伐能夠維持,我們有望在2026年開始支援汽車生產,但2027年的可能性更大些。我們正與一些OEM洽談可否加快進度。」

其他正研發固態電池的公司也獲不同車廠和供應商支持,例如Ionic Materials得到現代、三星、雷諾、日產的投資;SolidEnergy就得到通用汽車(GM)、上海汽車集團、韓國SK集團等投資。而在中國,清陶能源會從本年起,未來三年在包含固態電池在內的研發領域投入逾10億元人民幣。繼續閱讀:【科技.未來】數據亮麗惹市場熱炒 固態電池初創可挑戰Tesla?

(節錄)

上文節錄於第249期《香港01》周報(2021年1月18日)《滿足五大關鍵需求 固態電池或助電動車成主流》。如欲閱讀全文請按此試閱周報電子刊,瀏覽更多深度報道。

249期《香港01》周報精選內容:

【封面報道】全網封殺特朗普 左翼資本強勢反攻右翼民粹

祝福抑或詛咒?西方民主能否通過科技的試煉

遷移社交媒體平台 不如取回資訊自主權

公帑怎麼用 市民來決定 公民社會怎能沒有參與式預算?

對話方方:被極左撕裂的中國需要包容

疫前已岌岌可危 旅遊業亟待救亡

感染病例和死亡人數皆成「歐洲之最」 英國疫情何以愈演愈烈?

發展蹉跎多年 今終拉開序幕 北環線沿線住屋,誰來居住?

【科技.未來】滿足五大關鍵需求 固態電池或助電動車成主流



X
X
請使用下列任何一種瀏覽器瀏覽以達至最佳的用戶體驗:Google Chrome、Mozilla Firefox、Microsoft Edge 或 Safari。為避免使用網頁時發生問題,請確保你的網頁瀏覽器已更新至最新版本。