• 電動車電池拚成本與效能, 減少鈷用量蔚為趨勢
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作者:馮欣仁     文章出處:先探雜誌   2083期      出刊區間:2020/03/20~2020/03/26

為了加速電動車普及率,車廠與電池廠無不積極研發低成本且高效能之鋰電池,特斯拉不僅藉由併購來強化相關技術之外,更與寧德時代簽訂供貨合約。
電動車已成為近年來各國政府與各大車廠重要的發展方向,而驅動電動車動力來源之關鍵要素且占成本比重最高的就是電池。由於電池攸關電動車之續航力,因此,各大車廠與電池廠無不積極開發效能高的電池。正極材料、隔離膜、負極材料與電解液為鋰電池四大關鍵材料;其中,正極材料為主要材料,占了電池成本五○%以上。正極材料不僅作為電極材料參與電池中的電化學反應,並且是電池中鋰離子的主要來源,其活性與鋰離子分布等指標是影響鋰電池性能表現的最大關鍵。因此,在正極材料的選用必須考量能量密度、功率密度、適用電壓、與電解液之間的安定性、可逆的電化學反應等條件。



特斯拉積極開發低成本電池



目前鋰電池的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等,各國家與各個廠商對正極材料的選擇不盡相同,日本和韓國主要開發錳酸鋰(LMO)和鎳鈷錳酸鋰三元材料(NCM),中國則偏向磷酸鐵鋰(LFP)發展。相較於磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池,三元電池的容量高、壽命長、電瓶重量輕;在容量與安全性方面比較均衡,因此,近來逐步獲得電動車廠商採用,如美國電動車大廠Tesla即是使用Panasonic所提供的鎳鈷鋁(NCA)三元材料,未來將朝向高鎳低鈷的趨勢發展。



固態電池蓄勢待發



全球電動車龍頭特斯拉對於鋰電池之研發技術可說是凌駕許多傳統車廠,去年初斥資二.一八億美元(溢價五五%)全股票交易收購儲能公司Maxwell Technologies;其核心技術是超級電容器和乾電極。超級電容器可以回收電動車加速、減速、啟停浪費的能源,與作為主動力的鋰電池搭配使用。乾電極技術,是指在製作電極時直接將黏合劑和正極粉末混合,擠壓成電極材料片,然後壓到金屬箔上。它能克服三元鋰電池的高鎳電極熱穩定性差等問題,使電池能量密度能大於三○○Wh/kg,並有實現五○○Wh/kg之目標。此外,特斯拉為了擴大中國市場銷售量,並為了降低生產成本,已與寧德時代合作未來在中國生產的電動車將採用寧德時代的磷酸鋰鐵電池,藉此得以減少使用價格高昂的鈷用量。

當前鋰電池最大問題還是在於安全性,因為鋰電池裡頭要有讓鋰離子能夠於其中游走導電的液態電解液,電極浸於其中,並用隔離膜隔開,這種構造的問題在於,不斷充放電循環之後,電解液體與固體的交界會發生結晶,導致電池效能下降,甚至可能因結晶刺破隔離膜,造成電池內部短路起火。對此,近來不少廠商開始著手發展固態電池。由於全固態電池的正極、負極、電解質全為固態,因此不用擔心液體外漏、安全性很高,且僅需數分鐘時間就可充好電、遠優於現行鋰離子電池的數十分鐘,加上具備大容量化特性,因此充飽一次電可行駛的距離有望提升。

日前三星先進研究院(SAIT)與三星日本研究所(SRJ)的研究人員在國際科學期刊Nature Energy發表了一篇全固態電池的研究,該研究提出一款袋式固態電池,去除了固態電池中的鋰金屬陽極,並用銀碳(Ag-C)複合層代替,該團隊發現,這樣做可以使電池支持更大的容量,更長的壽命周期並提高整體安全性,其高於鋰電池的效能與續航力,可望進一步支持電動車的發展。團隊提出的袋式固態電池,可使電動汽車行駛約五○○英里,並具有超過一千次充電的生命週期。然而,這項產品距離正式量產還需要一段時間,未來一旦商業化,對於電動車電池產業將是一大革命。

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