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固態電池?半固態電池?電動車趨之若鶩的老科技新發展

固態電池?半固態電池?電動車趨之若鶩的老科技新發展
                                       

日前台灣電動機車品牌 Gogoro 宣布與台灣固態電池研發商輝能科技合作,宣布共同發展專為電動機車打造的固態電池,並期待在 3 至 4 年內投入量產。固態電池這項發展已久的老科技,遇到電動車後似乎有了新的氣象,不只 Gogoro,許多汽車大廠如 TOYOTA、Nissan、Mercedes-Benz…都早已宣布投入這領域的開發。到底固態電池是什麼?固態的意思又是什麼?那有半固態電池或液態電池嗎?就讓我們繼續看下去。

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圖片來源/輝能科技

 

固態電池其實不是新概念

固態電池雖然讓最新發展的電動車青睞,但其實這概念已存在許久,而且市面上已經有固態電池的販售。固態電池最早的概念是起自於英國科學家法拉第,也就是那位名字被用在電容單位的電磁學大師,他發現原來電解質不只存在於液態,還存在於固態,這也讓後世發展固態電池時有了依據。而真正開發固態電池是在 1950 年後才開始,但一開始的固態電池的內部電阻過高,能量密度與電壓都偏低。後來在 1990 年代,美國負責能源開發的橡樹嶺國家實驗室才開始發展新一代固態電池,而前面提到的台灣科技廠輝能是在 2006 年開始固態電池研發,也陸續推出消費型電子與穿戴裝置使用的薄型柔性固態電池。

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為什麼需要固態電池?

從智慧型手機開始,電量焦慮症這名詞就開始跟隨著許多人,只要手機電量低於忍受值,人們就會開始焦慮的找尋充電裝置,到了電動車開始後也不例外。對電動汽車來說,雖然已經有了高達 800 公里續航的車種誕生,但遇到沒電需要補充能源時,卻要等上一小時或數小時才能把電力補滿,比起燃油汽車只需要 10 分鐘就完成加油要來的不便許多。而電動機車也不例外,雖然台灣現行的電動機車多以電池交換方式進行補充能源,因為機車體積有限,採用交換電池的設計也讓電池有著重量與體積上限,也讓電動機車的續航力難以超過 100 公里,甚至一般騎乘下只能維持 60 公里以內,對於必須經常使用機車到處來往的朋友,這樣的電量的確會讓人感到焦慮。

要讓這樣的焦慮感降低,最重要的關鍵自然就是提高電容量,不過以現行的鋰電池技術,要有更大電容量似乎遇到不小的瓶頸,單位體積下的電量(電力密度)發展速度已跟不上電動車的快速成長。這時候有著更大電力密度的電池技術,就是各個開發電動車的品牌最需要的,而固態電池這個老技術的新發展,就是現在大家最期待的技術之一。

 

固態電池的好處有哪些?

會讓車廠們趨之若鶩的原因,自然就是固態電池有著比現行鋰電池更優異的表現,並且少了許多缺點。前面提到電力能量密度就是最主要原因,固態電池的電力密度理論上是目前鋰電池的兩倍以上,在同樣體積下重量也較輕,這自然就成為車廠最需要的電池,同樣的電池空間中,有著更多電量而且重量變更輕,也就是說車的續航力將會有大幅的提升。而目前電動車充電時間太長的困擾,固態電池也能解決,日前宣布在 2028 年量產固態電池電動車的 Nissan 表示,它們所開發的固態電池可在 15 分鐘內將電池充到 80%,比起目前特斯拉的超級充電站要快上一倍。

以安全性來說,液態鋰電池在車禍發生時,如果電池受傷起火,火勢是非常難以控制的,但固態電池因為少了可燃的液態電解質,所以相對安全許多。在工作溫度上,固態電池也比液態電池的溫度範圍更廣,在極為寒冷的天氣下,固態電池的穩定性也較好。最重要的是,固態電池的壽命較長,以 Nissan 發布的資訊看來,他們有把握電池在 800 次充電後依然有著 80% 的電量。

 

固態電池為什麼稱為固態?

對一般消費者來說,電池原本就是固態的,難道他是液態?當然以外表來看絕對沒錯,而我們稱之固態或液態不是以外表來看,而是內在。我們先簡單說明一下電池的結構,電池最顯而易見之處就是有正極與負極,在電池內部正負兩極都有各自不同的材料,以鋰電池來說,正極就是以鋰化合物,如錳酸鋰 (LiMn2O4)、磷酸鐵鋰 (LiFePO4)、鎳鈷鋰 (LiNiCOO2)…,負極大多以碳材料為主。

在正負兩極之間會有著隔離膜,這是用來讓離子通過,並分隔兩邊材料的膜片,他所隔離的材料就是今天的重點 – 電解質。包含現行鋰電池在內的傳統電池,內部的電解質就是液體,所以我們也可以稱它為液態電池,而固態電池顧名思義就是電解質為固體。另外其實還有半固態電池,半固態的定義其實稍微比較模糊,其一為電解質採用膠質或是泥狀材料、也有一半的電解質為固體,另一半為液體的設計。雖然半固態電池的電力密度沒有固態電池那麼高,但比起傳統鋰電池依然高上不少,加上半固態電池與固態電池開發方向相似不會有衝突,所以通常半固態電池就會被當成在進展到固態電池前的過渡產品。之前在採訪光陽董事長柯勝峯的時候,他其實也有提到光陽也有與電池廠合作半固態電池的計畫。

 

固態電池很難開發嗎?

固態電池目前遇到最大的瓶頸就是固態電解質與電極間的電導率偏低,而且固體與固體間的密合度沒有如液體與固體來的緊密,穩定性是個問題。而且因為必須有緊密結構,也造成冷縮熱脹間的變形,容易讓結構出現瑕疵。另外固態電池目前採用的陽極材料同樣是鋰化合物,所以目前鋰電池的長晶枝問題,固態電池同樣會遇到,這樣也會造成結構上的麻煩。最後的問題當然就是製造成本,當然在開發初期一定相當高,但我想在技術成熟後這應該就不是問題了。

 

後記

固態電池的開發絕對是現階段交通工具邁向電氣化的重要關鍵,車廠們也紛紛宣告自己的目標,但有趣的是 Tesla 至今並未鬆口,而是持續開發液態鋰電池,並宣稱在未來三年內會將其提高 50% 電力密度。當然這其中各家自有盤算,誰也料不準會不會有更厲害的電池技術即將誕生,我們只能拭目以待了。

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