電動車時代 電池大競賽

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【吳旻蓁╱先探2134期】

今年以來,因晶圓代工產能不足導致車用晶片荒,已讓歐美各國意識到供應鏈自主的重要性,有鑑於此,美國總統拜登二月二十四日簽署了一份行政命令,表示將對關鍵產業供應鏈進行審查,釐清是否有過度依賴海外供應商的疑慮,尤其是中國,這當中就包含電動車電池。福特汽車執行長法利日前表示,「現在發生在台灣的晶片荒不能重演,我們需要在地製造的電動車鋰電池。」

美國與歐盟會如此憂心不是沒有理由的,因為作為下一個世代關鍵科技產品之一的電動車,勢將帶來新一波的產業革命與發展,尤其,在電動車系統中,電池因為決定了車子的效能、速度,甚至會連帶影響充電、其他車用軟體服務等,因此被稱為是電動車的「心臟」。

電池為電動車未來角力戰場

然而,如此重要的心臟,目前供應鏈幾乎集中在中國,據統計,全球鋰電池高達七成以上為中國製造,反觀美國則不及全球的十%,不僅如此,就連電池礦物和材料的精煉與生產,也多掌握在中國手中,專家指出,若繼續維持此局面,中國將是美歐兩強在發展電動車上致命的戰略弱點。由此可見,電池無疑是未來新汽車競賽中的關鍵戰場。

具有能量密度高、使用壽命長、充放電速度快及體積小等優點的鋰電池,是目前電動車中最普及的電池技術。鋰電池是透過四大關鍵材料所組成,包括正極(陰極)、負極(陽極)、電解液與隔離膜;其中,正極材料為主要材料,占了電池成本高達五○%以上。深入來看,正極材料不僅作為電極材料參與電池中的電化學反應,也是電池中鋰離子的主要來源,其活性與鋰離子分布等指標是影響鋰電池性能表現的最大關鍵;因此,正極材料的選用必須考量能量密度、功率密度、適用電壓、與電解液之間的安定性、可逆的電化學反應等條件。

鋰電池的正極材料繁多,大致上可分為鎳鈷錳(NCM)、鎳鈷鋁(NCA)的三元材料,以及磷酸鋰鐵(LFP)兩大路線,為了製造更具優勢的電池,各國與各廠商對正極材料的選擇不盡相同,像是日本和韓國著重三元材料(NCM),而中國則朝磷酸鐵鋰(LFP)發展。不同材料有不同的優缺點,像是磷酸鐵鋰的特性在於壽命長、安全性高、成本低,但一大致命缺點是續航力低;而三元電池正好相反,擁有高出前者一半以上的能量密度,可跑得更遠、加速更快,但壽命相對是前者約一半的使用期,且安全性較低、成本較高。

鋰電池在業界屹立長達三○年,且過去十幾年來技術已大幅度躍進,不只能量密度和壽命提高約十倍,據統計,從二○一二~二○年,平均成本已經下降逾八成,是市場上極具競爭力的能源元件;值得注意的是,雖然鋰電池的成本不斷降低,卻依舊是電動車最大的成本來源,比重仍高達三到四成,再者,當前鋰電池有著衰退以及充電效率無法提升的問題,且最大的隱憂還是在於安全性。

因為鋰電池裡頭要有讓鋰離子能夠於其中游走導電的液態電解液,電極浸於其中,並用隔離膜隔開,這種構造的問題在於,不斷充放電循環之後,電解液體與固體的交界會發生結晶,導致電池效能下降,甚至可能因結晶刺破隔離膜,造成電池內部短路起火。

開發低成本電池成重要目標