如何判断电池技术大突破是世纪大骗局还是真革命?

绿色带路人的心底话


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       之前我们谈到汽车在新一轮的竞争中,让电动车败部复活,准备让汽油车走入历史的关键,就是电池技术的变革。

  这个电池,就是锂电池,全名是锂离子二次电池(Lithium Ion Secondary Battery)。

  台湾的材料产业发展比较慢,因此懂电池的人不太多,这会造成一个问题,就是当我们看到科普杂志耸动的标题「电池科技大突破!5分钟充饱电动车」,我们根本不知道如何判断真假。

  今天,我就来分享六个看懂电池科技的基本逻辑,至少以后我们可以知道谁是骗子、谁是革命家。

用过即丢的电池只占20%的市场,主战场在可以重复充放电的电池

  一想到电池,我们多数人浮现在脑中的,就是装在电器、玩具里,政府要我们做回收的那种电池。电池是一种以化学能的方式,几个元素合作链结起来就储存能量,放开彼此之后就将之转换成电能放出的器件。既然牵扯到化学能,那就跟材料脱离不了关系啦。过去电池都是以其主要材料来命名,举凡一次电池的锌锰电池(碳锌电池/碱性电池)、锌汞电池(水银电池);二次电池的镍氢电池、镍镉电池、铅酸电池与本文的主角锂电池都是如此。

  电池的结构其实相当简单,主要就是正极与负极,我们使用的能量便是储存在此正、负极之间,刚刚提到的命名则一般直接由正、负极的两种材料来决定。举例来说,锌锰电池的正极是锰(二氧化锰),负极是锌。

  用过即丢的电池称为一次电池,一次电池由于无法重复使用、能量密度低又不环保,因此现在已经鲜少在使用,顶多剩下一些比较低阶的电器、玩具等,总共仅占整体市场约20%。

  二次电池代表的是可以重复充放电,也就是可以重复使用。整体市场约80%都是二次电池,其中二次电池中的锂电池虽然最晚商业化,但由于能量密度高且无记忆效应,现在各种3C产品几乎全部使用锂电池,占了二次电池市场的四成。

  而另外六成暂时还没有被锂电池攻下来的,目前是被铅酸电池占据著。铅酸电池由于挟带非常低廉的成本优势,大量使用在汽机车的启动电瓶、电动自行车、不断电系统等。

  尽管如此,铅酸电池仍然面对了来自锂电池非常大的压力,试想,未来如果是电动车的世界,那我们还需要启动电瓶吗!

6个判断电池技术潜能的基本逻辑:能量密度高、寿命长、充放电速度快、耐热耐寒、安全性高、达到可商业化的成本

  要成为有潜力的电池,首先必须有高能量密度,我们依序来说明:

  1. 高能量密度:能量密度指的是在一个固定的体积下,可以释放多少能量,你可以理解成你拿著两个同样大小的宝特瓶,一个宝特瓶装汽水,另一个宝特瓶装汽油,后者的能量密度自然是高于前者。业界除了体积之外,重量也是另一个衡量的标准
  2. 寿命长:充放电次数多,电池与车同寿,同时也减少废弃物
  3. 充放电速度快:一来透过较快速的放电提供足够力量推动你的车子;二来急用时能较快速的速度补充电能
  4. 耐热耐寒:最好能适应极端气候,否则在冰天雪地里电池挂了,车子就不能开了
  5. 安全性高:通常指的是不容易爆炸,这你可能觉得是天经地义,但要知道安全则代表材料必须稳定,而稳定通常意味著能量密度低,这两者之间有矛盾,必须取得平衡
  6. 达到可商业化的成本:研发阶段成本一定很贵,但落地到可商业化的规模,就要评估这个材料降价的潜能

  要找到能符合以上所有条件的电池,就像找到超完美娇妻一样,目前人类能找到最接近的,没意外,就是她—锂电池。

  跟别的电池不同,锂电池这名字看起来就不像有两种材料,这是怎么一回事?其实锂是指锂电池内传递能量的媒介锂离子,而锂离子就像游泳选手一样,不断在正、负极间来回游动,当锂离子游到负极,就是充电;当锂离子游到正极,就是放电。而让锂离子游动的游泳池的水,就是电解液。实务上,为了避免正、负极直接接触导致短路而烧起来,中间会插入一层高分子做成的隔离膜用以分隔正、负极。也就是说,锂电池的正负极材料其实另有他人。


(图一)锂电池的结构 资料来源:Leclanche网站

  锂电池内的正极材料组成相当复杂,而负极材料则相对简单。目前商用负极主要以石墨类占大宗,超过九成以上。根据不同的来源,又可以分成天然石墨(NG)、人造石墨(AG)两大类。某些特殊应用如快充放等,会使用软碳(SC)、硬碳(HC)、中间相微碳球(MCMB)等,这些也属于广义的石墨负极。

  正极材料总类就多了,但大体上可以分成三大类:钴酸锂(LCO)、磷酸铁锂(LFP)与三元材料(NMC)。其中钴酸锂发展最早,市场也最成熟,多半被应用在数位产品、小家电等。但近年钴价大涨导致成本垫高许多,加上电池效能发展遇到瓶颈,因此逐渐被后两者取代。

  磷酸铁锂特性则是寿命长、安全性高、成本低廉,但它有个致命的缺点,就是能量密度较低。去年(2018)中国大陆对锂电池能量密度的补助门槛提高后,市场急冻,导致许多材料厂关门大吉。目前磷酸铁锂多半被使用在小型储能电池或是对续航力较不要求的短程电动大巴、电动自行车等,部分使用在汽机车的启动电瓶。

  三元材料的特性则刚好与磷酸铁锂相反。寿命短,短磷酸铁锂约一半的使用期;安全性也没有磷酸铁锂高;成本也高,较磷酸铁锂高约两倍。但三元材料有个最强悍的优势—能量密度高,高了磷酸铁锂一半以上,因此在要求续航力的平板手机等数位产品,或是我们最哈的电动车等,市场都被三元材料主宰。


(图二)正极材料比较表 资料来源:颜文群整理

锂电池技术大跃进,在能量密度、寿命以及价格这三大关键上完胜对手,但外卡选手在场外虎视眈眈

  锂电池技术在过去十几年来大跃进,能量密度和寿命是以前的十倍,价格却十分之一不到,让对手一个一个被淘汰出局。不过,电池的球赛现在才四局下半,谁会取得最后的胜利还很难说。如能量密度是石墨(372 Ah/Kg)十倍的矽材料(3,579 Ah/Kg)、充电速度是石墨数倍的石墨烯、寿命是石墨十倍(1,000次)的钛酸锂(10,000-20,000次),还有整个体系大改的锂硫电池、锂空气电池、固态电池,甚至还有许多非锂系的外卡选手在场外虎视眈眈,如成本较低廉的钠、镁电池,寿命较长的铝电池等,都以不可思议的速度发展中。

  看懂电池技术只是基本功,接下来绿色创业家社群马上要来讨论台湾的电池产业各自的站位,哪些公司已经卡了哪些位置,以及为了要有更好的站位,我们接下来应该如何发展。这种讨论适合想赚大钱的投资者、找工作的年轻人、跃跃欲试的绿色创业者,或是运筹帷幄的管理者,我们都需要用更大的视角,才能判断出哪个领域更适合投资你的时间和金钱。

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