液態鋰電池競爭者出列!四局下半即將登場的電池選手

Green Mentor's Fireside Chat


(Photo by hikeshispirit )

  如果前些年有人跟你說,有一種電池比鋰電池更厲害,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!

  我們之前文章《如何判斷電池技術大突破是世紀大騙局還是真革命?》為你分析六個判斷電池技術潛能的基本邏輯:

  1. 高能量密度:能量密度指的是在一個固定的體積下,可以釋放多少能量,你可以理解成你拿著兩個同樣大小的寶特瓶,一個寶特瓶裝汽水,另一個寶特瓶裝汽油,後者的能量密度自然是高於前者。業界除了體積之外,重量也是另一個衡量的標準
  2. 壽命長:充放電次數多,電池與車同壽,同時也減少廢棄物
  3. 充放電速度快:一來透過較快速的放電提供足夠力量推動你的車子;二來急用時能較快速的速度補充電能
  4. 耐熱耐寒:最好能適應極端氣候,否則在冰天雪地裡電池掛了,車子就不能開了
  5. 安全性高:通常指的是不容易爆炸,這你可能覺得是天經地義,但要知道安全則代表材料必須穩定,而穩定通常意味著能量密度低,這兩者之間有矛盾,必須取得平衡
  6. 達到可商業化的成本:研發階段成本一定很貴,但落地到可商業化的規模,就要評估這個材料降價的潛能

  

  要找到能符合以上所有條件的電池,就像找到超完美嬌妻一樣,目前人類能找到最接近的,沒意外,就是鋰電池。因此,磷酸鐵鋰和鋰三元電池以秋風掃落葉之勢攻佔幾乎所有的儲能電池及動力電池市場,在動力電池方面,鋰電池是目前全球各大汽車集團偏愛的主流電池配方。

鋰電池是目前全球各大汽車集團偏愛的主流電池配方,但層出不窮的電動車火燒車事件卻讓大家很頭疼

  磷酸鐵鋰和鋰三元電池的運作邏輯都是讓鋰離子像游泳選手一樣,在電解液中游泳,前者壽命長、安全性高、成本低廉,但能量密度低;後者能量密度高能支援快充,但壽命短、安全性不高。

  以特斯拉為例,雖然使用最頂尖的Panasonic電池技術,能量密度也即將接近現有液態鋰電池技術的極限,但層出不窮的火燒車事件,一個官司就可能讓車廠傾家蕩產。車廠要對其設計負責,因此他們其實很頭疼。儲能系統比較常用磷酸鐵鋰電池,因此純電池發生火災的事件較少,但韓國過去兩年有超過三十起儲能系統火災,新聞討論多關注鋰電池安全性。不管是不是真的是電池造成火災,這些層出不窮的事件都直指一個問題,就是我們必須想辦法讓鋰電池更安全。

固態電池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:安全問題和能量密度

  於是,這就給了固態電池一個機遇。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。

· 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。

· 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。

· 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。

  看到這裡,你可能覺得這三條技術路線都看起來都還只在研發階段啊,怎麼可能挑戰液態鋰電池,先別急,下一篇,我們繼續來為你分析他們現在各自的發展狀況,以及在哪些應用場景已經有他們的足跡。

 

Solid State Battery

Join Us