上周美國電池公司Solid Power透露，其研發的固態電池（solid-state battery）已展開試驗生產，預計本年稍後可向寶馬（BMW）、福特（Ford）等合作汽車品牌提供電池測試，甚至2024年量產電池。到底固態電池相比傳統鋰離子電池有何優勢，吸引一眾車廠押注？這種技術可否令電動車進一步普及？

日本Sony集團在上世紀九十年代初首次把鋰離子電池（lithium ion battery）商品化。自此，鋰離子電池成為了手機、相機、手提電腦、攝錄機、遊戲機等，各種可攜式消費電子產品的標準配備。到近年，鋰離子電池雖然支持了電動車發展，但似乎也開始看到了這技術在應用上的限制。

突破現有鋰電局限

鋰離子電池的一大限制，在於它的電解質。電解質的作用是允許離子在電池兩之間游走，實現充電和放電。至今，鋰離子電池都是使用液態的電解質，佔位而笨重，局限了電動車每次充電後的續航距離。

儘管近年鋰離子電池的能量密度和壽命都因為工程上的進步而穩步上揚，但有些科學家認為，在電池構造沒有改變下，鋰電子電池的性能或許已經「見底」。此外，液態電解質易燃，構成火災等安全風險，去年通用汽車（GM）便因此大量回收了旗下汽車品牌Chevrolet電動車款Bolt。這兩點是目前不少人對於電動車仍然卻步的原因。

目前電動車相關業者正從不同途徑試圖解決這些問題。有些如電池巨頭中國寧德時代（CATL）和韓國LG新能源不斷研究改動電極金屬的成分和比例，以改變電池化學的方式來提高電池性能。

另一種較直接的想法是固態電池，亦即使用固態電解質取代液態。這概念並不新鮮，問題是，幾十年來一直都沒有人能夠實際製造出高性能、耐用、便宜、安全的成品。研發上主要有兩個點需要注意。其一是鋰的反應性高，可以觸發副反應令電池退化甚至起火；另一是鋰離子的流動會在電池內形成稱為枝晶（dendrites）的針狀結構，可以刺穿分隔電池陰陽兩極的隔膜，令電池短路。

據此，科學家一直在尋覓某種適當的材質，充當電池內的分隔材料，既要能夠讓離子流動得夠好，又要能阻擋枝晶，還要夠堅固。過去不少研究都嘗試利用一些有機聚合物為電解材質，雖然生產容易，成本低，但電池性能欠佳。後來雖然鎖定了一堆材料，例如陶瓷或塑膠，開發與鋰金屬不發生反應的固態電解質，但當中有些可能太脆，無法捱得過多少充電周期，有些可能無法阻擋枝晶。

近幾年，一些新晉電池業者開始有所突破。Solid Power的固態電池採用某種硫化物製成的陶瓷固態電解質，配上NMC（鎳、錳、鈷）陰極（cathode）和矽製陽極（anode）；QuantumScape同樣開發出某種固態陶瓷物質，可同時作為電池電解質和隔膜。它的另一獨特之處是「無陽極」設計，可進一步減少電池重量和體積，從而增加能量密度。

理論上，固態電池有幾個優勢。首先是電池能量密度增加。Solid Power行政總裁Doug Campbell估計，其固態電池的能量密度最終可比鋰離子電池多一半，這樣電動車的單次充電續航距離，可從350英里增加至500英里以上。QuantumScape則在2020年末聲稱，其固態電池可在15分鐘內充電至80%滿，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%。

Campbell還說，固態電池會更安全同時更容易生產。他解釋，一般鋰離子電池有設計保護措施，以防起火或爆炸，把電解質從液態換成固態後，自然可減省這些額外成本；組成的電池組也可以更加密集。

基於上述潛力和初步成果，有些電池專家甚至認為，固態電池在未來毫無疑問會取代現有鋰離子電池。

打開電動車市場

事實上，固態電池的潛力已得到一眾汽車生產商注意。Campbell說他對此並不驚訝。畢竟，電池可佔電動車成本的40%，並且是關鍵的安全組件，尋找更便宜、更持久又不易燃的電池，自然是車廠未來的最重部署。他形容固態電池就是電動車行業的「聖杯」。

QuantumScape行政總裁Jagdeep Singh也同意。他指出：「今天的電池沒有競爭力。它們沒有足夠的能量密度來得到需要的航程，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，但顯然汽油車在五至十分鐘內就能入滿油。」

他認為固態電池可以滿足消費者對電動車的五個關鍵需求：更低成本、更遠航程、更短充電時間、更長的總使用壽命和更高的安全性。他說，一直以來，電動車一直無法滿足這些方面，所以才在美國佔新汽車銷量不足2%，固態電池「可以開啟本來無法打進的98%市場」。

Solid Power去年5月得到福特和寶馬牽頭投資1.3億美元B輪融資，去年12月經特殊目的收購公司（SPAC）在美國上市。其他投資者還有韓國現代汽車（Hyundai）、電池製造商A123 Systems、三星（Samsung）和石油、天然氣集團Equinor的風險投資部門等。

Solid Power上周宣布，已在科羅拉多州啟動一條試驗生產線，生產少量電池作內部測試。Campbell預計，本年內可開始向合作汽車品牌BMW和Ford供應電池作測試之用。一切順利的話，他估計車廠可望在2024年上半年就能敲定電池的正式設計。

同樣經SPAC上市的QuantumScape，也得到德國大眾汽車（Volkswagen）投資三億美元，知名投資者還有微軟（Microsoft）創辦人蓋茨（Bill Gates）。QuantumScape聲稱，還有另外三間汽車製造商已簽約試用其固態電池，惟至今仍未具名。它在上月的財報電話會議上告訴投資者，希望在明年內向汽車製造商提供用作道路測試的電池。德國的Mercedes-Benz也在今年1月與台灣電池生產商輝能科技簽訂合作，開發固態電池和測試車輛。

不少其他車廠似乎也已經預見固態電池是電動車的未來。中國蔚來汽車（Nio）在去年1月曾聲稱，會在本年第四季開始交付的ET7車款中配備150千瓦時的固態電池組。豐田（Toyota）去年9月發表的宣傳片中，一輛設計和測試中的車款車身大字強調「全固態電池驅動」；今年1月它再宣布，2025年前在油電混合（hybrid）車款中使用固態電池。日產（Nissan）也希望在2028年推出使用固態電池的電動車。

仍是未來科技

有些專家指出，固態電池要在市場面世，面對極之艱難的挑戰。美國馬里蘭大學能源創新研究所所長Eric Wachsman提醒：「這是未來的科技。問題是，這個未來到底多久才會到來？」

目前，固態電池在各方面都還未準備就緒。在電池性能上，例如Solid Power的電動車尺寸電池，在低溫環境下的表現明顯欠佳；而且，當電池重覆快速充電後，電池的壽命縮減得太快。豐田宣布2025年在油電混合車使用固態電池時補充，這技術仍未準備好在全電動車中使用，其首席科學家Gill Prat指出，若要為全電動車提供動力，現時使用這種電池的成本太高。

固態電池另一經常為人質疑的是，相關公司可否順利增加生產規模，把在實驗室的研發成品轉化為商用量產。美國阿貢國家實驗室（ANL）能源儲藏科學協作中心主任Venkat Srinivasan指出：「這些公司必需要有重大的思維轉變，要從研發公司轉變為製造公司。這過程並不容易。」

一方面，這問題很視乎電池所用的材料和設計。一些無機材料，例如Solid Power所用的硫化物，質地可以非常脆，當在大型生產線上製成薄片，可能在生產過程中移動困難。

同時，生產方法和模式也與規模相關。Wachsman補充，目前鋰離子電池的生產鏈已經非常成熟，其中中國的生產工藝漸趨成熟，能降低成本。他質疑，固態電池生產需要另一套生產技術，未必那麼容易複製出相同的生產規模，短期內成本難以降低：「這些電池製造商似乎有望在兩年內推出商業產品，問題是到時可否大量生產。」

對此，Solid Power聲稱，其電池一大優點在於，基本上可以使用現時製造鋰離子電池的工廠的既有工具和工藝來生產。而且，它最終不打算自行製造電池，而會交給擁有大型生產線的韓國業者SK Innovation。相反，Quantumscape的電池設計令它需要截然不同的生產過程，因而計劃未來自行興建工廠。

另一方面是生產工藝和品質。隨着電池的尺寸和層數增加，生產時的瑕疵和不良率也會隨之放大，這是量產要面對的挑戰。現時一些高質的生產商，良率可達八、九成。可以預期，這恐怕不是固態電池一開始就能做到的。Srinivasan說，「這可能是每個業者都將要面對的最大挑戰。」

種種障礙下，Wachsman估計，生產固態電池並不容易，可能最先出現於一些數量需求較少的領域，例如國防和航天。Campbell暫時仍比較樂觀，認為目前至少已「有信心化學反應是對的，剩下的是只工程而非化學問題」。