【電池技術變革的秘密】鋰電池為什麼會如此受歡迎,即將讓汽油車走入歷史?

【我們為什麼挑選這篇文章】鋰金屬的化學特性活潑,使得對其加工、保存、使用的環境要求非常高,因此鋰電池長期沒有獲得有效的應用,但隨著二十世紀末微電子技術的發展,小型化的設備日益增多,鋰電池隨之進入大規模的實用階段。

究竟鋰電池是具備了哪些獨特條件,才能在這競爭的電池市場中脫穎而出,未來電池技術的研發有哪些條件是需要克服的呢?(責任編輯:賴佩萱)

作者: 顏文群

之前我們談到汽車在新一輪的競爭中,讓電動車敗部復活,準備讓汽油車走入歷史的關鍵,就是 電池技術的變革

這個電池,就是鋰電池,全名是鋰離子二次電池(Lithium Ion Secondary Battery)。

臺灣的材料產業發展比較慢,因此懂電池的人不太多,這會造成一個問題,就是當我們看到科普雜誌聳動的標題「電池科技大突破!5 分鐘充飽電動車」,我們根本不知道如何判斷真假。

今天,我就來分享六個看懂電池科技的基本邏輯,至少以後我們可以知道誰是騙子、誰是革命家。

電池市場大剖析:二次電池佔八成!其中鋰電池挾強大勢力後來居上

一想到電池,我們多數人浮現在腦中的,就是裝在電器、玩具裡,政府要我們做回收的那種電池。電池是一種以化學能的方式,幾個元素合作鏈結起來就儲存能量,放開彼此之後就將之轉換成電能放出的器件。

既然牽扯到化學能,那就跟材料脫離不了關係啦!過去電池都是以其主要材料來命名,舉凡一次電池的鋅錳電池(碳鋅電池/鹼性電池)、鋅汞電池(水銀電池);二次電池的鎳氫電池、鎳鎘電池、鉛酸電池與本文的主角鋰電池都是如此。

電池的結構其實相當簡單,主要就是正極與負極,我們使用的能量便是儲存在此正、負極之間,剛剛提到的命名則一般直接由正、負極的兩種材料來決定。舉例來說,鋅錳電池的正極是錳(二氧化錳),負極是鋅。

用過即丟的電池稱為一次電池,一次電池由於無法重複使用、能量密度低又不環保,因此現在已經鮮少在使用,頂多剩下一些比較低階的電器、玩具等,總共僅占整體市場約 20%。

二次電池代表的是可以重複充放電,也就是可以重複使用。整體市場約 80% 都是二次電池,其中二次電池中的鋰電池雖然最晚商業化,但 由於能量密度高且無記憶效應,現在各種 3C 產品幾乎全部使用鋰電池,占了二次電池市場的四成

而另外六成暫時還沒有被鋰電池攻下來的,目前是被鉛酸電池佔據著。 鉛酸電池由於挾帶非常低廉的成本優勢,大量使用在汽機車的啟動電瓶、電動自行車、不斷電系統等

儘管如此,鉛酸電池仍然面對了來自鋰電池非常大的壓力,試想,未來如果是電動車的世界,那我們還需要啟動電瓶嗎?

電池效能好不好?要符合以下 6 大要點

要成為有潛力的電池,首先必須有高能量密度,我們依序來說明:

  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。

解密鋰電池材料,是什麼讓它成為完美電池?

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,就是她—鋰電池。

跟別的電池不同,鋰電池這名字看起來就不像有兩種材料,這是怎麼一回事?其實 鋰是指鋰電池內傳遞能量的媒介鋰離子 ,而鋰離子就像游泳選手一樣,不斷在正、負極間來回游動,當鋰離子游到負極,就是充電;當鋰離子游到正極,就是放電。

而讓鋰離子游動的游泳池的水,就是電解液。實務上,為了避免正、負極直接接觸導致短路而燒起來,中間會插入一層高分子做成的隔離膜用以分隔正、負極。也就是說,鋰電池的正負極材料其實另有他人。

鋰電池的結構(圖片來源:Leclanche 網站)

鋰電池內的正極材料組成相當複雜,而負極材料則相對簡單, 目前商用負極主要以石墨類佔大宗,超過九成以上 。根據不同的來源,又可以分成天然石墨(NG)、人造石墨(AG)兩大類,某些特殊應用如快充放等,會使用軟碳(SC)、硬碳(HC)、中間相微碳球(MCMB)等,這些也屬於廣義的石墨負極。

正極材料總類就多了,但大體上可以分成三大類:鈷酸鋰(LCO)、磷酸鐵鋰(LFP)與三元材料(NMC)。其中鈷酸鋰發展最早,市場也最成熟,多半被應用在數位產品、小家電等,但近年鈷價大漲導致成本墊高許多,加上電池效能發展遇到瓶頸,因此逐漸被後兩者取代。

磷酸鐵鋰特性則是壽命長、安全性高、成本低廉,但它有個致命的缺點,就是能量密度較低 。去年(2018)中國大陸對鋰電池能量密度的補助門檻提高後,市場急凍,導致許多材料廠關門大吉。目前磷酸鐵鋰多半被使用在小型儲能電池或是對續航力較不要求的短程電動大巴、電動自行車等,部分使用在汽機車的啟動電瓶。

三元材料的特性則剛好與磷酸鐵鋰相反:壽命短,短磷酸鐵鋰約一半的使用期、安全性也沒有磷酸鐵鋰高、成本也高,較磷酸鐵鋰高約兩倍,但三元材料有個最強悍的優勢—能量密度高,高了磷酸鐵鋰一半以上 ,因此在要求續航力的平板手機等數位產品,或是我們最哈的電動車等,市場都被三元材料主宰。

正極材料比較表(圖片來源:顏文群整理)

還不能放寬心!鋰電池即使技術完勝,外場選手仍虎視眈眈

鋰電池技術在過去十幾年來大躍進,能量密度和壽命是以前的十倍,價格卻十分之一不到,讓對手一個一個被淘汰出局。不過,電池的球賽現在才四局下半,誰會取得最後的勝利還很難說。

如能量密度是石墨(372 Ah/Kg)十倍的矽材料(3,579 Ah/Kg)、充電速度是石墨數倍的石墨烯、壽命是石墨十倍(1,000 次)的鈦酸鋰(10,000-20,000 次),還有整個體系大改的鋰硫電池、鋰空氣電池、固態電池,甚至還有許多非鋰系的外卡選手在場外虎視眈眈,如成本較低廉的鈉、鎂電池,壽命較長的鋁電池等,都以不可思議的速度發展中。

看懂電池技術只是基本功,接下來綠色創業家社群馬上要來討論臺灣的電池產業各自的站位,哪些公司已經卡了哪些位置,以及為了要有更好的站位,我們接下來應該如何發展。這種討論適合想賺大錢的投資者、找工作的年輕人、躍躍欲試的綠色創業者,或是運籌帷幄的管理者,我們都需要用更大的視角,才能判斷出哪個領域更適合投資你的時間和金錢。

(本文經合作夥伴 綠學院 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈 如何判斷電池技術大突破是世紀大騙局還是真革命?〉;首圖來源:shutterstock。)

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