當續航 1 千公里成為電動車新指標，電池技術何去何從 | TechNews 科技新報

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）