固態電池是下一代電動車電池的解方?

電動車裡的鋰離子電池困擾著電動車產業

電動車的發展依賴電池提供持續的動力,電池是電動車未來的關鍵。然而,發展超過30年的鋰離子電池卻幾乎沒有什麼改變。目前的電動汽車由鋰離子電池供電,這與筆記本電腦,手機和其他消費類電子產品中使用的鋰電池相似。它們的內部裝有液體電解質,這讓它們很重且容易在高溫下不穩定。鋰離子電池相較於固態電池相對較重且體積較大;同時,液體電解質的的主要問題在於洩漏與高易燃性。隨著時間的流逝,液體中的化合物會腐蝕電池內部組件,並且會經歷降解或內部積聚固體物質,這兩者都會導致電池容量和整體性能下降。另外,鋰離子電池中的金屬和原料,尤其是石墨、鈷和高純鎳,這些金屬原料可能在採礦和精煉過程中造成嚴重汙染並增加二氧化碳排放量。

電池技術的革新已出現急迫性

平均而言,電動車仍比傳統汽車貴3成,卻無法提供遠超過內燃機引擎所提供的高續航力的表現。另外,充電時間也較長,最快也要20~30分鐘才能充飽電,續航力多落在300~400公里。市場研究公司預計,電動汽車將取代內燃機汽車,並成為汽車行業的主流。電動汽車的行駛里程應與當前的內燃機汽車相似,因此增加電動汽車電池的電池容量非常重要。增加容量的方法是增加電池數量。但是在這種情況下,電池價格上漲,電池佔用了車輛中的大量空間。還有,電動車有一半重量來自電池,造成車身比燃油車還重,電池重量如果減少一半,車子續航力可以增加25%。電池技術的局限帶來一些問題,可能會減緩大幅採用電動車的速度。

要降低電動車的成本,並提高續航力與效能,電池的技術必須有所突破。為此,科學家提出「固態電池」的構想,將電解液移除,改以全固態方式堆疊,不會因隔離層破損就導致正負極接觸短路爆炸,能量密度也提高,在負25℃~60℃的溫度範圍都能正常運作。固態電池電力來源擁有薄薄一層固態電解質,能夠取代現行鋰離子電池裡易燃的液態溶液,而且能夠更密集地儲存能量。電解質還可以兼作電池隔板,隔板是鋰離子電池裡的必要組件,而用電解質當隔板可以減少起火風險,也減少所需原料數量。

為什麼我們都沒有駕駛帶有固態電池的汽車?

就像其他新興技術一樣,固態電池價格昂貴,這在一定程度上是由於開發成本所致,但也與難以大規模生產;儘管它們比液體具有優勢。目前之所以市面上還看不到固態電池,主要是有許多技術問題待突破,像是固態電解質導電度不如液態電解質等,除了技術不成熟外,製造成本仍高,不利於大規模製造普及。固體電解質正在尋找正確的材料。導電的硫族化物玻璃是出色的候選材料,其電導率是其氧化物對應物的10-100倍。已經開發了幾種包括鋰導電硫屬化物玻璃或玻璃陶瓷作為固體電解質的固態電池。但是設計人員遇到了高成本和各種技術挑戰的問題,例如固態電池在充電和放電時會發生膨脹和收縮的現象。不過研究機構彭博能源財經(BloombergNEF)預估,固態電池若能大規模的生產,成本將只有鋰電池的40%,有機會成為電動車電池的主流。

次世代電力來源 – 固態電池

在固態設計中,固態材料代替了液體或凝膠。這種材料(例如陶瓷),仍然可以使鋰離子穿過。固態電池比使用液體電解質溶液的鋰離子電池具有更高的能量密度。它沒有爆炸或著火的危險,因此不需要安全組件,從而節省了更多空間。這樣我們就有更多的空間放置更多的活性材料,從而增加電池的電池容量。固體比液體佔據的空間更少,這導致電池更小,更輕,並且可以將更多的能量包裝到每個單位體積中。

固態電池有望成為使用液體電解質溶液的鋰離子電池的可行替代品。該創新將降低火災的風險,並增加能量密度。如果固態電池開發商能夠負擔得起的量產技術,那麼結果將是這種電池的續航時間比目前最普通的電池更長,充電時間更短。由於固態電池比目前的某些鋰離子設計更涼爽,更不易燃,因此也將具有安全優勢。

固態電池可以增加每單位面積的能量密度,因為只需要少量的電池。因此,固態電池非常適合製造需要高容量的模塊和電池組的EV電池系統。與相同重量和體積的鋰離子電池相比,固態電池可以多存8成的能量。能量密度較高的鋰金屬可以代替石墨,有助減少電池的重量和體積。通過固態隔板實現的鋰金屬陽極不僅可以解決能量密度問題,而且可以解決常規鋰離子電池的許多其他局限性。

配備固態電池的電動汽車充電大約需要10分鐘,從而將充電時間縮短了三分之二。電池可以在保持腿部空間的同時延長緊湊型電動汽車的行駛距離。三星電子技術研究所展示了一種固態電池的研究結果,該固態電池可充電1000次,每次充電可行駛800公里。該技術可延長生命週期和安全性,並將固態電池的尺寸減少一半。豐田計劃成為第一家在2020年代初銷售配備固態電池的電動汽車的公司。在相同條件下,豐田公司開發的電動汽車的行駛距離將是使用傳統鋰離子電池行駛的汽車的兩倍以上。