當續航 1 千公里成為電動車新指標,電池技術何去何從

作者 | 發布日期 2021 年 03 月 09 日 8:15 | 分類 電動車 , 電池 Telegram share ! follow us in feedly


做車熱背後,電池革命也時常提及。遺憾的是,多年過去,好像誰的命都沒革到。

去年 10 月,美國固態電池新創公司 QuantumScape 宣稱:「我們的新型電池不但能讓電動車續航翻倍、15 分鐘完成充電,甚至還比現有鋰電池更安全。」3 個月後,中國蔚來在 NIODay 發表續航超過 1 千公里車款,號稱會配備固態電池技術,2022 年第四季正式開賣。

或許,QuantumScape 和蔚來真可憑著固態電池真正技術革命,但實現目標前,尚需瓦解鋰電池建立幾十年的統治地位。

新電池方程式尚未出現

電池革命為何遲遲不來?鋰電池為何能夠統治業界超過 30 年屹立不倒?答案很簡單:打造新電池的化學方程式尚未出現。

「自 18 世紀以來,電池的基本概念從未改變。」雪梨大學化學家、Gelion Technology 創始主席 Thomas Maschmeyer 教授說。

所有電池主要部件不外乎三個:正極、負極、電解質(催化劑作用)。

三大元素不可改變的大前提下,如果業界想有革命性技術突破,就必須調整電池的化學成分。過去幾十年,電池研究者在元素週期表沒少下工夫,目的就是找到取代鋰電池的新型化合物。

主要路線有兩條:

  1. 研發超越鋰電池能量密度的新型電池,如固態電池、鋰硫電池、鋰空氣電池等。
  2. 在已有電池添加更多元素,如鈉離子、鋁離子和鎂離子電池。

不過改變電池化學成分說來容易做很難,解決一個問題後可能會造成多個新問題。最主要的原因是電池化學反應時會產生能量。

以常見鋰離子電池為例,會用到石墨負極和金屬氧化物正極(通常是鈷、鎳、錳、鐵或鋁),電解液則是有機溶劑的鋰鹽。當鋰離子電池通電,負極與電解液的鋰發生反應,產生電子積聚在負極周圍,正極發生化學反應後就會吸引電子,產生電子流。過程稱為還原─氧化過程(就是化學課講到的「氧化還原」反應)。

一次性電池(如遙控器 AA 電池)來說,電子流只需朝一個方向工作。但充電電池,電子流運動過程就可逆了。也就是說,於正負極間穿梭的電子必須買「來回票」,且不會消耗或破壞活性化學物質。

鋰離子電池上,氧化還原反應簡直是教科書等級。電池材料開始退化前,電子可雙向移動,做到數千次迴圈。可惜的是,世上萬事皆有缺憾:充放電循環會產生微小的金屬晶鬚(稱為樹突),晶鬚會穿過電解液,縮短電池壽命。

在極少數情況下,鋰離子電池還會起火(想想三星 Note7)。

如果將鋰換成鎂呢? 後者更容易開採,且能達類似能量密度。事實證明:鎂離子電池理論沒問題,實踐一團糟。

對鋰有效的化學反應對鎂不起作用,且對鈉、鋁或任何其他元素都不起作用。 在鋰離子電池,鋰可通過嵌入過程擴散並穩定於石墨負極內,但鎂不行。不但無法穩定於負極內,鎂還會在負極發生反應,形成固體電解質界面膜(SEI),進一步阻礙鎂離子在電極和電解液間擴散。一旦這層界面膜出現,電池性能會迅速下降。

鎂元素遇到的問題並不罕見,不少想將鋰打下神壇的化學成分都能充放電,但不夠完美。顯然,擴散能力弱意味鎂離子電池無法儲存大量能量。鋰空氣電池雖然有高能量密度,但穩定性有問題。

至於鈉,雖然是地球儲量最豐富的化學元素,但鈉離子電池能量密度很低,根本無法用於消費性電子產品或電動車。

這麼多鋰電池變體中,唯一投入市場的恐怕只有鋰硫電池了。這項技術備受期待的原因是:能將電池能量密度提高到傳統鋰離子電池 5 倍。

不過鋰硫電池也不完美,因為鋰和硫會發生化學反應,產生多硫化鋰,溶解度很高,能擴散到電解液並穿過分隔正極和負極的隔膜。多硫化鋰可不是人們想要的氧化還原反應,因會覆蓋負極並使其鈍化,隨後就是容量迅速降低,直至電池罷工。

這過程叫多硫化物重組,20 多年來讓研究人員傷透腦筋,儘管大量改善,仍然難以找到商業化的變通法。

超人式登場:固態電池

當所有研究人員都一籌莫展、難尋進步時,固態電池登場了。何為固態電池?就是拋棄傳統電解液,使用固態電解質,新電解質就是固態電池的核心。

除了做好本分,固態電解質還能扮演隔膜角色。

固態電池正極材料的選擇,高電壓型電極材料就可勝任;至於負極,則可用鋰金屬,以達成能量密度大飛躍。固態電池並非新鮮事,研發進程開始於 1950 年代,最近幾年因為電池革命需要被迫走上前線。

相比傳統鋰電池,固態電池有幾大優勢:

  1. 安全性更好
  2. 體型更輕薄
  3. 能量密度更高
  4. 生產製造難度更低

通常動力電池系統需要先生產單體,單體封裝完成後將單體串聯組裝。若先在單體串聯,會導致正負極短路與自放電。固態電池電芯內部不含液體,可先串併聯後組裝,減少組裝殼體用料,封裝設計得以大幅簡化。

理論上來講,量產電動車最強的 21700NCA 三元鋰電池電芯(特斯拉使用),能量密度也只有 251Wh/kg。業界人士認為,300Wh/kg 將是三元鋰電池難以跨越的鴻溝。

至於固態電池,能量密度有望達 400~1,000WH/kg,大大緩解電動車使用者的里程焦慮。此外應用還能拉低電池組甚至整車成本。

由於固態電池沒有燃燒或爆炸之憂,BMS 等溫控元件(這也是特斯拉強項)可徹底退役,無隔膜設計還能進一步減負電池系統。

利好無數,但固態電池想從實驗室量產到上車,可不簡單。固態電池仍有不少問題,如離子電導率低、高介面阻抗等。此外即使解決材料問題,電池標準化製造等問題也會突顯。

當年鋰離子技術較幸運,在 CD 取代卡帶時誕生,存儲介質轉換讓不少 SONY 薄膜工廠閒置。當日本人意識到這些薄膜工廠能助鋰電池一臂之力時,原本過時的產能又重新啟動。也就是說,鋰電池誕生之初,就已做好量產準備。

相比之下,固態電池的情況大不同。「這是完完全全打掉重來,量產前必須放棄過去 30 多年建立的電池工廠和技術,因固態電池與以前技術儲備不相容。」Sila Nanotechnologies CEO Gene Berdichevsky 指出。

同時鋰離子電池普及經過 30 多年量產,反覆運算才出現。1994 年,最常用的 18650 型鋰離子電池製造成本超過 10 美元,容量僅 1,100mAh。到了 2001 年,價格降到 3 美元,容量也躍升至 1,900mAh。

今天,此類電池有超過 3,000mAh 容量,且成本持續下降。

「沒人會與性價比過不去,鋰離子電池至少還能統治整個行業 10 年。」某電池專家認為。電池業發展與成本息息相關,而成本與規模更緊密相連。 鋰離子電池擁有如此良好開局的情況下,依然花了 15 年才從高度專業化的產品進化成大眾市場產品。

對號稱可在幾年內徹底顛覆整個電池業的新技術,不少人持懷疑態度。

從股價也能看出端倪。身為固態電池界的明星公司,QuantumScape 手握 200 多項固態電池專利,市值曾一度衝高至 500 億美元,但從去年底到現在跌了一大半。

有人指出,雖然 QuantumScape 技術不錯,但樣品電池比蘋果手錶的電池還小,且從未走出試驗室。研究公開技術檔案後,不少人認為 QuantumScape 也許最終能將固態電池推向市場,但恐怕很難滿足車用要求,且價格會非常貴。

業界普遍認為,固態電池真正落地時間會在 2025~2030 年。

目前已有不少巨頭或多或少投資一些固態電池新創公司。福特、BMW 與現代就聯合投資 Solid Power 新創公司,本田則選擇與 NASA 及加州理工合作,試圖研究可將能量密度提升 10 倍的新產品(不過專案依然使用電解液)。

通用汽車方面,不但拿到美國能源部 200 萬美元獎勵,還攜手 LG 化學投資 2 億美元繼續開發固態鋰電池,為旗下雪佛蘭 Bolt 電動車提供彈藥。

與福特建立同盟關係的福斯則向 QuantumScape 投資 3 億美元,不過生產線要 2024 年才能建成(1gWh),2026 年第二座工廠才會成型(20gWh),至於大規模量產要到 2028 年了。

相比之下,豐田走得最快,以前準備趁東京奧運會發表搭載固態電池的電動車(已跳票),不過量產恐怕要再等 5~6 年。除此之外,豐田還聯合本田、日產與松下組織日本固態電池研發聯盟,預計 2030 年能將電動車續航提高到 500 英里(約 804 公里)。

有趣的是,松下曾表示固態電池未來十年內都難以商用。也許固態電池來臨前,鋰電池還會統治業界一段時間。如小鵬又發表基於磷酸鐵鋰電池版本的 P7 及 G3。

不只電池需要擔心

理論與實踐通常不同步。

假設固態電池真能快速落地,達成某些廠商聲稱的 1 千公里續航,人們還會焦慮電動車其他問題嗎?

當然有,而且還不少。如充電速度、充電站建設,充電站背後的電網設施等。英國華威大學 David Greenwood 教授表示,電動車的成功取決於無處不在的充電網路和更快的充電速度。

先看快充技術,首先得確定實驗室技術與商用技術的差別,因為真正裝車後的產品必須在極端溫度、苛刻的駕駛條件和大功率快速充電等狀況下接受考驗,對任何技術而言都是巨大的挑戰。

隨著電動車數量不斷增加,以及電動車商用化深入,快充網路越來越重要。中國也是年發電量佔全球四分之一的發電超級大國,電能不會成為制約中國電動車發展的瓶頸,真正挑戰在於配電設施、佈線和變電站等。

「從技術角度看,已有不少公司拿出實驗室技術,但如何大規模工業化是個大問題,按照以往經驗,這個過程至少需 5~8 年。」某從業人士說。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:QuantumScape

延伸閱讀: