固態電池、鋰離子電池的差別在哪?一文解析固態電池的 4 大優點

solid state lithium battery

人類文明正從化石燃料能源過渡到綠能,燃油車也逐漸轉換為電動車,隨之而來的,是電池的使用量大增。目前電動車、儲能系統使用的大多是鋰離子電池,雖然它們能量密度高、充電速度快,卻有安全性等問題。因此,產業界正積極開發固態電池,期待它能取代傳統的鋰離子電池。

鋰離子電池採用液態電解質,有重量、安全性與壽命的問題

固態電池與鋰離子電池的主要差異在電解質。鋰離子的電解質是液態的,以凝膠體、聚合物的形式存在,讓電池的重量難以下降。此外,單一鋰電池組的能量不高,因此必須將多個電池組串聯,讓重量近一步增加。工程、製造與安裝電池組的成本占電動車整體成本很大的比例。

除了重量問題,電解質也具有可燃性,在高溫下不穩定,有熱失控的問題,若發生車禍,可能會導致嚴重火災。電解質在低溫也容易凍結,降低電池的續航力。另外,電解質會腐蝕電池的內部組件,充放電的過程也會產生晶枝(dendrites),降低電池的容量、性能與壽命。

固態電池的電解質為固態,能量密度高

固態電池內部沒有沉重的液態電解質,而是玻璃、陶瓷或其他材料形式的固態電解質。固態電池的整體結構與傳統鋰離子電池相似,充放電方式也大同小異,但因為沒有液體,所以電池內部更緊密,體積更小,能量密度增加。若將電動車內的鋰離子電池改用同樣體積的固態電池取代,電容量理論上可以提升 2 倍以上。

而且固態鋰電池的重量較輕,也不需要鋰離子電池的監測、冷卻和保溫系統,底盤能空出更多空間放置電池,讓電動車續航力大增。

另外,固態電池的充電速度比鋰離子電池快,也沒有腐蝕性的問題,壽命更長。關於工作溫度,固態電池具有熱穩定性,也不會在低溫凍結,對生活在中高緯度的使用者,這能確保電動車的續航力。

總結來說,固態電池有 4 大優點:

▌能量密度高
▌充電速度快
▌壽命較長
▌熱穩定性佳

固態電池的問題:成本高昂且不易量產

然而,固態電池的內部構造緊密,容易受到熱脹冷縮的影響,若設計不當,可能會影響內部結構;晶枝的問題也沒有被解決,電池結構可能會被破壞。

但最重要的是,固態電池成本高昂且不易量產。固態電池並不是新的發明,它們已經應用在心律調節器、可穿戴設備與 RFID 等小型設備多年,直到近期,產業界才開始研究固態電池在電動車等大型裝置的應用,但目前電動車仍是以鋰離子電池為主。

總結來說,固態鋰電池有 3 大問題:

▌膨脹、收縮影響結構
▌晶枝造成結構破壞
▌成本高昂,不易量產

產業界正積極研究固態電池技術,當中包含特斯拉、鴻海等科技大廠,也有 QuantumScape 等新創。鴻海預計在 2024 年推出商用化的固態電池產品,豐田也計畫在 2030 年前推出固態電池電動車。若固態電池順利打入車用市場,將有望打造出續航力超過 1 千公里的電動車,性能輾壓燃油車,車主也不用擔心續航力的問題了。

參考資料

Autoweek》、《Road Show

(本文提供合作夥伴轉載。首圖來源:flickr CC Licensed

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