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整理包/鋰電池末日到?能解決電動車「里程焦慮」的固態電池是什麼?全世界都在搶的新技術又面臨哪些挑戰

固態電池被支持者譽為電動車電池的「聖杯」,續航力比傳統鋰電池更長、充電時間也更短。但多家公司在放量生產上遭逢阻礙。路透
固態電池被支持者譽為電動車電池的「聖杯」,續航力比傳統鋰電池更長、充電時間也更短。但多家公司在放量生產上遭逢阻礙。路透

本文共2851字

經濟日報 新聞部新媒體中心/編輯徐建峰整理

隨著電動車技術的發展與普及,電動車廠逐步在世界站穩腳步,同時,卻也面臨著始終存在的安全風險與技術突破天花板的隱憂。不過,電動車的既存問題,或許有望藉者近兩年固態電池開始量產迎刃而解。

固態電池普及之日 將是燃油車退出之時?

放電的原理是由離子流通過一種稱為電解質的化學物質,從正極流到負極,並產生電流的過程,而作為目前主流電動車配置的鋰電池( Li-ion Battery ),在類型部分,又以磷酸鐵電池( LFP )和鋰三元( NCA )電池為大宗。

經濟日報/製表
經濟日報/製表

僅管 LFP 電池在運用上已經較 NCA 電池有更出色的表現,包含,電池壽命、放電效率,以及價格上都比 NCA 電池來得有優勢,不過,LFP 電池也存在著重量減不下來、易受溫度變化影響,和充電速度較慢的缺點。尤其是在溫度變化部分,隨著遭遇極端氣候變化機率增加,成為電動車一大致命傷,且鋰電池也仍存在著恐因時間、外在壓力而損毀自燃風險。

圖左為傳統鋰離子電池,內有電解液。圖右為固態電池,用固態電解質取代電解液。(擷自...
圖左為傳統鋰離子電池,內有電解液。圖右為固態電池,用固態電解質取代電解液。(擷自彭博資訊)
至於,被稱為下一個「電動車聖杯」的固態電池( Solid-State Battery )最大優勢在於,電解質由液態改為固態電解質,此改變大幅增加電池的能量密度,在能量密度越大儲能空間就越多的前提下,固態電池就擁有比鋰電池更高的續航力。

同時,藉由固態電解質的特性,能夠大幅降低會造成電池短路原因之一的化學物「鋰枝晶」(dendrite)的成形,在安全性上視為重大發展,也是現今業界積極追求的目標之一。此外,由於固態電池透過高能量密度和堆疊技術,可減少、甚至拔除電池串聯,進而增加未來電動車可以使用的空間。

經濟日報/製表
經濟日報/製表

根據理想的固態電池狀態,未來充電10分鐘,就能實現里程數至少1000公里的目標,這樣優勢可望讓電動車「大躍進」,一舉超車現有的燃油車。其背後商機、市場規模無可限量。

爭搶能源聖杯 各國車廠、電池廠搶進

能一舉獨霸、創造市場藍海的機會誰都不想錯過,據韓國 SNE Research 調查指出,截至2022年,中國寧德時代新能源科技(CATL)的車載電池市占率達37%穩居冠軍。韓國LG新能源(LG Energy Solution)和中國比亞迪則分別有13.6%並列第二。

有鑒於此,日本豐田(TOYOTA)下重本將目標轉向固態電池,同時,與松下(Panasonic)合作,有望於2025年進行量產,並讓固態電池的市占率在電動車上於2030年達到10%;不只豐田想一舉翻身,日產汽車(Nissan )宣稱自2007年起就投入固態電池研究,並於去年車展展示全固態電池(ASSB)技術,最快在2028年前就可以投入運用。

豐田汽車計劃在2027~2028年開始銷售全固態電池EV。 路透
豐田汽車計劃在2027~2028年開始銷售全固態電池EV。 路透

韓國三星( Samsung )也不遑多讓,攜手南韓LG新能源、三星 SDI 與車廠福斯( Volkswagen )、SK On ,除了誓言要在2027年內達成固態電池量產計畫,也積極搶攻 LFP 電池與 NCA 電池。

在世界的另一端,歐美國家也沒在閒著,隨著美國兩家能源電池廠 QuantumScape 、 Solid Power 的誕生開啟固態電池的戰國時代,兩家大廠對固態電池皆已有一定水準,並且分別與福特汽車(Ford)、 BMW 以及 Volkswagen 合作,擁有多項「實戰經驗」,在固態電池演進上扮演重要角色。而法國業者 Blue Solutions Blue Solutions 已經替戴姆勒(Daimler)的電動巴士生產固態電池。

至於,作為目前電動車電池市占率最高的中國車廠也不甘示落,利用「中國速度」優勢,中國官方集結寧德時代、比亞迪子公司弗迪電池、中航鋰電、億緯鋰能、國軒高科等公司,成立「中國全固態電池產學研協同創新平台」(CASIP),在官方、車廠支持下,技術有望在近年超車其他國家,目前已有相關車廠在進行相關測試。

固態電池廠要落地量產為何這麼困難?

固態電池一直面臨基本性的科技挑戰,包括很難維持電池功率,以及避免失靈。路透
固態電池一直面臨基本性的科技挑戰,包括很難維持電池功率,以及避免失靈。路透

固態電池大致可分為下列三種製造做法,包含聚合物(polymer)、氧化物(oxide)與硫化物(sulfide),其中,聚合物製作方法與現有鋰電池製程相近,是量產最容易的固態電池,不過,導電率卻是三種電池中最差的,目前歐洲車廠、能源電池廠方向以此類為主。

另一種硫化物,導電率為三類中最佳,但製程要求較為嚴苛,且製造過程中,可能產生有毒氣體硫化氫,目前該類型主要由日韓企業如豐田、三星SDI 押注研發並且看似擁有不錯發展,但對其使用上仍有疑慮。至於,氧化物固態電池是三類中最為穩定,但也是最難製造的電池,目前由陸系車廠積極研發中。而台廠輝能則是以此類型電池佔據主導地位。

固態電池雖然「理想上」能夠成為新的「殺手極應用」,但目前仍然沒有任何一間工廠能夠大量量產,對於「進度」如此緩慢,有專家針對固態電池安全性提出警告,就算是固態電池,以目前技術仍無法將電池起火發生率降至為0,再加上固態電池起火,瞬間產生的溫度可能會比鋰電池來得高,相關風險仍存在。

另外,由於固態電池的製造過程中,需要有特定的環境,且由於技術限制,量產的難度也比鋰電池高出很多,也直接造成固態電池無法大規模生產、生產成本比鋰電池高出很多的窘況。

「九局下半」台灣輝能獨領風騷

輝能執行長楊思枬。聯合報系資料照
輝能執行長楊思枬。聯合報系資料照

台灣輝能科技公司是氧化物固態電池研發中的佼佼者,去(2023)年因為獲得歐盟補助至法國設廠受到關注。今(2024)年初的桃園廠落成啟用,讓固態電池正式進入量產階段,根據公司說法,2024年底將能達成2萬台電動車電池供給量,先前更宣示2030年固態電池的市占率將奪下四成,其速度之快,震驚所有人。

輝能固態電池布局概況
輝能固態電池布局概況

以「惦惦呷三碗公」來形容輝能再適合不過,堪稱「次世代固態電池領導者」的輝能憑著700多項專利、以及自動化技術,打開固態電池大門,進軍國際,創辦人暨執行長楊思枬表示,今年開始就能供貨給 Mercedes-Benz 等電動車客戶,先前桃園廠開幕會上也有多家國際合作廠商到場支持。

公司表示,桃園廠作為示範廠,初期產量0.5GWh、最大將擴充到2GWh,約可提供2.6萬台電動車使用。至於,法國廠預計在2027年開幕,目標產能也有望於2030年至2032年達成,固態電池的市佔可望達7%,輝能在列的佔比至少能達三成五至四成。

固態電池運用包羅萬象成趨勢

鴻海宣布,旗下全資子公司芯量科技將與加拿大固態電池設計製造商Blue Solut...
鴻海宣布,旗下全資子公司芯量科技將與加拿大固態電池設計製造商Blue Solutions共同開發兩輪電動車固態電池,第一站瞄準印尼市場。(路透)

台灣不僅有輝能獨霸一方,鴻海去(2023)年宣布,與加拿大固態電池設計製造商 Blue Solutions 簽訂合作備忘錄,攜手旗下芯量科技(SolidEdge Solution)針對兩輪電動車市場共同開發打造的固態電池生態系。

看準儲能電池運用,傳產大廠台塑和台泥也是新能源運用布局的先鋒,除了擴展儲能廠外,台塑也正投入研發固態電池,台泥則是於去年發表防火儲能櫃,要搶電池商機,在固態電池普及前,台塑與台泥積極提高高階鋰電池的自產率和效能,兩者皆是電池發展生力軍。

(資料來源:記者吳凱中、王郁倫、編譯林奇賢)


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