薛偉傑:固態電池效能佳 或成車企未來發展方向

文章日期:2021年12月7日

【明報專訊】鋰電池由1991年開始商業化之後,先後攻下了手機、手提電腦等電子產品以至新能源汽車的市場。不過,很多汽車業人士認為,受傳統設計所限,現時鋰電池的能量密度、充電速度,甚或安全性都可能已接近見頂,未來難以再大幅提升。電動車行業要進一步發展,鋰電池就必須轉向固態電池的方向發展。

今年1月份,蔚來在「NIO DAY」上,發表了一款研發中的新車ET7的資料。其中,最引人注目的是,蔚來聲稱,ET7將會配備容量高達150kWh的新款固態電池,續航力超過1000公里,預計在2022年第四季就可以推出。一時間,這消息令汽車迷為之震動,更令到全球各大車廠不甘後人,紛紛透露它們在固態電池方面的佈局。

蔚來ET7採固態電池 號稱航程逾千公里

先解釋一下傳統鋰電池的缺點。傳統鋰電池主要是由正極材料、負極材料、非水性的液態電解質組成,但為了避免正負極之間短路,還需要加入隔膜。因此,要提升傳統鋰電池的能量密度,會面對一定的掣肘,尤其是體積能量密度。

此外,這些電解液為有機液體,在高溫下有燃燒或爆炸的風險。另一方面,在低溫時,這些電解液又容易凍結,令電動車的續航力大幅「縮水」。

但固態電池卻不同。固態電池乃使用固體的電解質,取代以往鋰電池的電解液。由於固態電解質和液態電解質的分別,加上固態電池毋須加入隔膜,所以其體積能量密度和重量能量密度都比現時的鋰電池優勝,充電速度也比較高。

一般相信,固態電池的體積能量密度至少可以比現時的鋰電池高出一倍或以上。至於充電時間,亦可能只是現時的鋰電池的一半,甚或三分之一。因此,將來配備固態電池的電動車,很多都可以達到1000公里或以上的續航力。

此外,固態電池亦沒有高溫下易燃或爆炸、低溫下容量大幅縮水的問題。可以說,基本上全部解決了現時電動車行業遇到的困難。

仍面對眾多技術成本問題 2025至2030年才可落地

既然固態電池這麼多優點,讀者可能會問,那為什麼遲遲不投產呢?

有業內人士表示,固態電池要真正商業化,仍需克服多個難題,包括:固體電解質和電極間界面的阻抗大,界面相容性較差;在充放電過程中,各材料的體積膨脹和收縮,容易導致界面分離;仍有待研發出與固體電解質最匹配的正負極材料;以及現階段的製造成本太高。

業內有些估計認為,由於技術尚未成熟,若現時生產全固態電池,成本會比目前的鋰電池高4倍以上,市場會難以接受。

歐、美、日本等大車廠和業內人士大多估計,配備全固態電池的電動車,至少要到2025年才能夠商業化投產,甚至可能要2028年至2030年才能夠投產。

在此之前,有些電動車廠可能會選擇中間落墨,先採用減少電解液使用量的半固態電池作為過渡。不少業者亦估計,蔚來聲稱可以在2022年第四季投產的ET7,其實也只是配備半固態電池。現時,這些半固態電池的每Wh成本超過1元人民幣,而液態電解質鋰電池(以三元鋰電池為主)的每Wh成本則大約是0.7至0.8元人民幣。兩者的成本差距已不算太大。

半固態電池料可主導過渡期

中國科學院院士、中國電動汽車百人會副理事長歐陽明高亦預測,2025年將會出現第一代全固態電池,但其能量密度只會和半固態電池相若,不會高出很多。在2030年之前,半固態電池仍然會主導電動車市場。

要到2030年後,才會出現採用新型正負極材料的第二代全固態電池,其重量能量密度可以提升至500Wh/kg。而2035年之後,則會出現和傳統鋰電池差別較大的其他固態電池,包括:鉀、鎂、鋰─硫、金屬空氣電池等。到2050年,液態電解質鋰電池佔電動車市場的比例有可能減少到大約20%。

明報記者 薛偉傑

[薛偉傑 科技觀潮]