固態電池可以解決電動車火燒車和儲能系統火災嗎?

Green Quick Fix

  你一定常常看到電池爆炸的新聞吧,很本能地你一定馬上會覺得手機、電動車、儲能系統很危險:

​  「三星手機Note 7鋰電池爆炸!全球回收並停止生產」

​  「特斯拉Model 3驚傳起火爆炸!電池究竟出了什麼問題?」

​  「全台首例充電站爆炸!Gogoro回應了」

​  「韓國兩年超過三十起儲能系統鋰電池火災」

​  「工研院龍井儲能案場驚傳火災!挑動系統安全敏感神經」

        確實,一支手機放一顆鋰電池就可能爆炸,一個密閉空間放超過上百顆甚至上萬顆的鋰電池芯,然後讓它在馬路上走來走去,或是裝在貨櫃裡放在大太陽下曝曬,簡直就是在自己身邊放一個未爆彈,也太不安全了吧!

        如果前些年有人跟你說,有一種電池比鋰電池更不容易火災,能量密度更高、壽命更長、充放電速度更快,而且成本更低,那麼他一定是在騙你。

  科技進步到哪,我們就進化到哪,我今天可以放心地用綠學院常說的「演化思維」跟你宣布,經過十多年的研發,終於有一種電池接近上述的各項驚人特質,而且近幾年陸續開始小批量試生產,預計在未來十年內可以量產,挑戰稱霸世界近三十年的液態鋰電池(Lithium Ion Secondary Battery),這顆閃亮的星星就是固態電池!

固態電池也是鋰電池家族成員之一,只是一般鋰電池電解液是液態,而固態電池使用的電解液則是固態

  其實固態電池也是鋰電池家族成員之一,只是一般鋰電池電解液是液態,而固態電池使用的電解液則是固態,因此命名與液態電池區隔出來。

        固態電池看似只是換了一種電解液的形態就如此被重視,就是因為其在理論上解決了當前困擾鋰電池,尤其是動力電池產業的兩大根本痛點,即安全問題和能量密度。

        固態電池改用固態電解質,因此可以避免漏液的問題,且因固態電解質具有較強的阻隔正負極效果,較不易生成鋰枝晶而造成短路,安全性自然較高。能量密度的部份,由於固態電池的安全性,故正負極可以選用能量密度更高的材料,例如負極採用鋰金屬或是正極採用NCMA混合物等,使其能量密度有機會超過鋰三元電池。

        不過我們也可以想像到它的侷限,因為鋰離子就像游泳選手一樣,不斷在正、負極間來回游動,當鋰離子必須在固態介質內游動時,速度一定會比較慢,所以一般固態電池較不適合用來快速充放電,這就是它必須突破的挑戰。

三種固態電池技術路線

  根據固態電解質材料的不同,目前產業界將固態電池分成聚合物、硫化物和氧化物三大技術路線,其中聚合物屬於有機高分子電解質,硫化物與氧化物屬於無機陶瓷電解質。

· 固態電池技術路線一:聚合物

  聚合物電解質主要由聚合物基體與鋰鹽構成,當你讓它處於高溫狀態時,鋰離子游得比較快,所以把配方和溫度調一調,就可以得到高能量密度,因此成為最先實現產業化的技術方向。但這種電池的最大缺點是它得保持在加熱狀態才能保有較佳的效能,現在碳中和的壓力這麼迫切,除非都用綠能加熱,否則這條技術路線離商業化仍有一定距離。

· 固態電池技術路線二:硫化物

  無機陶瓷電解質包含硫化物與氧化物,其中硫化物的活性較高,不需額外進行加熱,但缺點是電解質和正負電極之間的界面電阻較高,鋰離子游動的速度會比較慢,充放電速度較差。除此之外,硫化物還有兩大缺點,硫化物固態電池接觸空氣容易產生有毒性的硫化氫,如何維持安全穩定性及避免與空氣進行化學反應是一大要點;加上硫的高活性,生產設備及生產環境的特殊需求將造成高昂成本,這都對未來的量產帶來隱憂。

· 固態電池技術路線三:氧化物

  氧化物電解質最大的優點是安全,因此在三大技術路線中,它的安全性最高,但研發難度也最高。氧化物固態電池一旦破裂毀損後,不會產生硫化氫,但因活性不如硫化物,因此鋰離子游動的速度更慢,充放電速度相較於聚合物及硫化物較差。

固態電池兩大潛在的應用場景

  固態電池有機會解決動力電池產業的兩大根本痛點,即安全問題和能量密度。因此,層出不窮的電動車火燒車事件,以及大家對儲能系統電池的擔心,就直指兩個潛在的應用場景,也就是電動車及儲能系統。

· 固態電池應用場景一:電動車

  對電動車而言,最重要也最昂貴的零件就是電池,其占總成本四成至六成不等,可以說,誰掌握了電池科技,誰就掌握了下一代的電動車科技。因此,大家都想要找到液態鋰電池的替代方案,在這機遇之下固態電池這顆新星誕生了,於是電動車成為固態電池潛在的應用場景。

  這麼好的機遇,為什麼會掉到固態電池身上?主要原因有三:

  1. 不可燃、無腐蝕、不揮發、不漏液、耐高溫的固態電解質取代電解液、電解質鹽與隔膜,徹底解決電池自燃造成的火燒車問題
  2. 能量密度有很大機會突破500Wh/kg,此能量密度可將電動車續航力拉高至800公里到1,000公里,比鋰三元電池還高
  3. 固態電池可大幅為電動車驅動系統減重,由於固態電池電芯內不含液體,可大幅降低自燃的風險,故可先串聯再封裝,減少現有液態鋰電池外部串聯導致冗餘的機構設計;同時因其完全不可燃的特性,BMS溫控組件將可大幅度減少,進而提高續航力

 

· 固態電池應用場景二:儲能系統

  相對於電動車來說,儲能系統有很多不同的電池選項,但鋰電池儲能系統能快速反應的優勢,對於參與電力系統仍為必要,在儲能市場的發展佔據一定的重要性。

   雖然現階段固態電池應用到儲能系統仍為時尚早,但儲能市場早已開始關注固態電池技術的發展,為什麼固態電池有機會?主要原因有三:

  1. 不可燃、無腐蝕、不揮發、不漏液、耐高溫的固態電解質取代電解液、電解質鹽與隔膜,解決儲能系統因電池引起的火災問題
  2. 大部份的儲能系統不像電動車需要快充,固態電池在這裡發揮更加得心應手
  3. 若能大規模量產,因為固態電池電芯內不含液體,可大幅降低自燃的風險,故可先串聯再封裝,減少現有液態鋰電池外部串聯導致冗餘的機構設計;同時因其完全不可燃的特性,BMS溫控組件將可大幅度減少,進而降低殼體設計成本,在這兩種因素之下,達到簡化生產流程,提高成本競爭優勢
     

  固態電池尚未量產,鋰電池仍將稱霸儲能系統一段時間,畢竟磷酸鐵鋰電池成本低、相對來說安全性高,且電池循環壽命基本3,000次以上,可以用個八至十年,已可滿足現有儲能市場的需求。

        看完這篇文章相信可以幫助你脫離一知半解,不再靠著吸收碎片化的知識或資訊,片面解讀固態電池。如果你還想了解更多,也歡迎參加產業小聚,或加入綠學院LINE官方帳號,跟我們聊聊喔!建議用手機點選連結,或者掃描下方與我們同步QR Code。

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