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1992年 Sony 為可攜式電子產品開啟了一次革命,利用數十年來在鋰電池領域的研究成果,推出行動電話及手提式攝錄影機,改變了數十億名消費者的生活形態。
現在電池更承擔一項神聖的任務:改變全球能源與運輸體系,以減少對化石燃料的依賴。儘管生產鋰電池的成本已大幅下降,帶動電動車起飛,但鋰電池的基本科技卻一直沒有太大變化。
然而,鋰電池30多年來的好景可能不久後就被顛覆。豐田汽車不久前指出,固態電池的製造技術已接近突破階段。豐田在今年6月接連宣布一連串固態電池的相關製造消息後,市值已激增260億美元,若真能成功,豐田最快在2027年就能開始銷售更安全、充電更快,且一次充電就能跑1,200公里的電動車,約是豐田現有電動車行駛里程的兩倍。
英國電池研究機構法拉第研究所共同創辦人兼首席科學家布魯斯表示,「全世界正展開一場固態電池競逐大賽。如果豐田或任何其他業者製造出來的固態電池能夠具有成本競爭力,實現更長的行駛里程,大幅提昇電池的電力密度,且能在10分鐘就完成充電,將是打破電池業傳統的一大成就」。
固態電池大賽
如果這項科技能夠成功,將對目前主導電動車及電池市場的特斯拉、比亞迪與寧德時代等企業造成震撼,在地緣政治上也將使西方世界不像現在般擔憂中國大陸壟斷電池及材料供應,也可能使電池得以應用到航空等新領域。
一些觀察家相信,這項轉變的意義足以與行動電話相提並論。
但對固態電池科技存疑者仍大有人在。批評人士質疑科學的基本問題是否已獲得解決,以及能否高速且大量製造,或是否已存在廣大的市場。加拿大 Canaccord Genuity 投資公司分析師布魯克斯表示,「固態電池能引發激情,便意味著現有的解決方案還不夠用。現在這只是一項令人興奮的研究計畫」。
豐田最近宣稱技術獲得突破,使人們再度提出固態電池還要多久才能對全球運輸系統去碳化做出重大貢獻。美國政府資助的 Argonne 儲能科學合作中心實驗室主任史瑞尼法山宣稱,長期而言,這是電池產業的「聖杯」。但他也問道:「這些有趣的實驗室級創新,是否在大量製造之前還需要跨過一道大坎,抑或很快就能量產?」
回態電池基本原理
所有電池的運作方式都相同,就是「離子流通過一種稱為電解質的化學物質,從陽極流到陰極,並產生電流的過程」。固態電池與現有鋰電池的差異,在於電解質是固態,而非液態。研究人員曾經試用過聚合物、氧化物及硫化物等材料,來作為電解質。汽車若使用固態電池將較為安全,因為液態電解質更容易起火。
改變電解質本身,未必會對電池功率造成重大變化。這項技術發展真正令人振奮的關鍵,在於用鋰金屬作為電池的陽極,來代替目前使用的石墨,能使電動車的行駛里程倍增,部分是因為鋰金屬比較輕。
固態電池一直面臨基本性的科技挑戰。其中之一是很難維持電池功率,以及避免失靈,因為電池一再充電及放電會造成鋰金屬束斷裂,另一項挑戰在於如何維持固態材料之間的穩定接觸。
豐田6月首次宣告的「突破」,在於解決耐用性的相關技術問題,但未宣布達成這項突破的原料。豐田最近又宣布與出光興產石化集團合作,共同開發並生產一種硫化物電解質,並表示這是五年內能讓固態電池商業化的關鍵。出
光興產執行長木藤俊一在與豐田共同召開的記者會上表示,「我們有信心以硫化物為基礎的固態電解質,是電動車電池的最可靠解方,例如延長行駛里程及縮短充電時間等」。
科學界愈來愈認同,基本科技挑戰顯然已不再是無法克服的難關,於是下一步挑戰在於如何大量生產。
裝配流程是最大的障礙之一,因為一層層的陽極-陰極單元必須快速且精密地堆疊,且不能使材料受損。豐田的工程師已宣稱在這方面獲得進展,現在更有信心能夠使堆疊的速度能夠與鋰電池相當。
但要大量生產,還必須克服其他的技術障礙。一位工程師表示,「我們還必須在確保電池材料的數量與品質上獲得突破」。
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