固態電池:電池革命即將到來

作者 : Milan Rosina、Shalu Agarwal,Yole Développement

固態電池商用化將如何重塑電動出行(e-mobility)業務...

固態電池代替傳統液體電解質鋰電池

鋰離子(Li-ion)電池已成為許多應用的首選。鋰離子電池可用於手機、筆記型電腦、電動工具、電動車(EV)、電動卡車和公共汽車,甚至是電動飛機。傳統的鋰離子電池由負極、正極、隔離膜和液體電解質組成。鋰離子電池中的易燃液體電解質會導致許多安全問題,如電解質洩漏、起火或爆炸等。固態電池,顧名思義,可以由固態電解質取代易燃的液體電解質,從而提高安全性,並增強電池性能。開發固態電池是為了打造具有更高能量密度、快速充電能力、更低成本和更高安全性的新一代電池。

固態電池的潛在應用領域涵蓋眾多產業,包括汽車、消費電子、工業、航空航太等。固態電池分為兩種不同類別:一類是小容量固態電池,多家供應商已實現商用,主要應用於消費電子產品;另一類是大容量(「塊狀」)固態電池,應用於電動車和混合動力車(EV/HEV),這也是固態電池發展的主要推動力。

電動車是固態電池發展的關鍵驅動力

使用內燃機(ICE)為汽車提供動力已有100多年的歷史,但內燃機時代即將結束。電動車將逐步取代內燃機汽車,並將在幾年之內發展成為車輛產業的主流。

然而,電動車存在續航里程短、充電時間長、成本和安全性等多方面的問題,目前許多汽車用戶都對這些問題感到擔憂。為了增加續航里程,一種簡單的方法是增加電池容量。透過增加每個電池組中(車輛中的大電池)電芯(基本單元)的數量來增加電池容量。但是採用這種方法,電池的價格和重量會增加,而且電池會佔用車輛較大的空間。因此,提高電池的能量密度或許是更為合適的解決方案。固態電池技術可以提高電池的能量密度,因而減少了每輛車中所需的電池數量。這也是眾多電池生產商和汽車OEM致力於開發固態電池的原因。1顯示了全球各地理區的主要固態電池廠商。

1:全球各地區的主要固態電池業者。(來源:Yole Développement)

儘管人們聲稱固態電池比起傳統鋰離子電池有著更多的優點,但其發展面臨許多挑戰,如離子電導率低、固體電解質潤濕性差、工作溫度高等等。最終選取何種固體電解質材料以及相關設備和生產製程仍有等研究。

如果一種電池具有較高的安全性與性能,就可能在市場競爭中取勝。因此,儘管在技術和供應鏈方面都面臨挑戰,多家電池和汽車製造商已經提出了量產的目標開發藍圖,以確保在固態電池市場中佔據領先地位。

2哪一家電動車製造商將在固態電池競賽中勝出?(來源:Yole Développement)

例如,豐田(Toyota)計畫從2025年開始量產固態電池。QuantumScape和松下(Panasonic)也計畫在2025至2026年量產固態電池,三星SDI (Samsung SDI)則將自2027年開始量產固態電池。此外,福斯汽車(Volkswagen)、現代(Hyundai)和BMW等多家電動車製造商對固態電池新創企業進行了投資,並計畫在幾年內推出搭載固態電池的電動車。例如,Volkswagen計畫在2025年左右推出固態電池電動車,並與新創公司QuantumScape合作。那麼,在電動車固態電池的競賽中,未來誰將勝出?(2)

得益於技術的發展以及供應鏈合作的不斷壯大,市場研究公司Yole Développement (Yole)預計固態電池商業化將在2025年左右開始。但小量生產可能會提前實現。根據Yole Développement的資料,到2027年,大容量固態電池市場需求量將達到約2.36GWh,並可能在2027年之後加速增加。因此可能會率先在高檔電動乘用車的低價位車型上採用,或者作為高價的電池選配升級方案。固態電池在乘用車中的成功應用,將加快從混合動力車向全電動車的轉型。未來固態電池並將推廣到航空航太等其他應用領域。

實現固態電池量產是一項艱巨的任務。綜合考慮技術、設備、大量/高產量生產和終端系統等各種因素,各廠商在固態電池的研發中密切合作比以往任何時候都更為重要(3)。

3:為了克服固態電池商業化面臨的挑戰,技術開發商、設備供應商、電池製造商和汽車OEM必須通力合作。(來源:Yole Développement)

電動車製造商在合作夥伴關係中的地位獨特,因為它們能夠提供超過1億美元的資金、希望擁有與眾不同的固態電池技術以便在競爭中取勝、需要使用大容量電池(每年生產大量車輛且每輛車需要大量電池),並擁有成熟的銷售和經銷網路。

結論

固態電池技術最終將應用於下一代電池系統中。EV/HEV製造商及其合作夥伴進行了大量的研發,到2025~2030年,固態電池將作為一種「優質」電池,得到越來越廣泛的應用。在進一步最佳化技術和擴大量產規模後,固態電池也將擴展到其他應用領域,但其價值主要還是反映在電動出行(e-mobility)應用領域。

(參考原文:Solid-State Battery: a Battery Revolution is Coming,by Milan Rosina and Shalu Agarwal)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年12月號雜誌

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