電池技術革命正在進行中,而且是由鋰離子電池所推動的;無論是你的手機、筆記型電腦,或者是電動/混合動力車輛,都有機會是以鋰離子電池所供電。對於該技術的投資是龐大的,市場研究機構Avicenne Energy估計,2016年該市場的規模就已經達到230億美元,年度成長率達到歷史性的17%。

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汽車應用是推動鋰離子電池市場成長的主動力。
(來源:Avicenne Energy)

從上圖可以看到,鋰離子電池的消費性應用市場成長率相對平緩,而電動車輛與大巴士(包括混合動力車輛)則是推動市場成長的主力。消費性電子應用市場成長持平,應該是有兩個主要因素:數量較大以及較低的平均銷售價格。

隨著電動(包括混合動力)車輛的普及率越來越高,預期瞄準此類應用的鋰離子電池市場將持續成長,以千瓦小時(MWh)計算,複合年平均成長率(CAGR)可達到17%;以營收計,CAGR則為12% (參考下圖)。

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電動車、混合動力車輛、插電式混合動力車輛以及電動大巴士對於鋰離子電池的需求持續增加。
(來源:Avicenne Energy)

鋰離子電池是否能滿足這些應用所需的較高容量/重量比(capacity/weight ratios)──即重量能量密度(gravimetric energy density),以Wh/kg為單位;以及較高容量/體積比(capacity/volume ratios)──體積能量密度(volumetric energy density),以Wh/L為單位?

許多人認為電池技術在關鍵指標上具備固有的成長率(重量能量密度每年成長5~8%),與半導體的摩爾定律(Moore’s Law)類似;但我們可預期這種情況能持續嗎?

摩爾定律出自於英特爾(Intel)共同創辦人摩爾(Gordon E. Moore)在1965年發表的一篇論文,假設某個特定單位空間內的電晶體數量每兩年會大約成長一倍。該理論的先見之明引人矚目,而且被大多數科技產業當作前瞻預測指標。

不過摩爾定律並非物理定律,如同美國加州理工學院(Caltech)教授Carver Mead在2005年所言:「摩爾定律實際上與經濟學相關,是人們的信仰體系;它不是一種物理定律,而是人類的信仰。當人們相信某件事情,他們就會將精力投注於其中使其成真。」

我認為,還需要強大的經濟需求以及技術傾向,以實現指數級的演進。CMOS兩者兼具,推動了IT與通訊的革命,性能指標(figure of merit)是電晶體的數量,這有助於晶片本身的微縮。

鋰離子電池能一樣嗎?如先前所提,其重量能量密度每年有5~8%的改善,雖然沒有像是摩爾定律的每年40%這麼高,無疑也是一種指數型的成長,只是速率比較低。問題在於這種技術本身是否適合這種持續性的演進。

一個有趣的區別是,鋰離子電池技術的演進主要是由電池芯的不同化學配方所推動。根據學者K. Devaki的簡報資料,如下圖所示,橘色的部分是不同的鋰離子電池技術,正在被佈署與開發中的鋰離子電池技術有非常多的種類。

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鋰離子電池能量密度的持續增加需要新的化學配方。
(來源:K. Devaki)

與半導體產業不同,電池產業來說正面臨的問題,是不同技術需要被佈署,才能取得相對適度的收益;每一種技術在商業化之前都需要大量時間。

舉例來說,磷酸鋰鐵(lithium iron phosphate,LFP)電池在1996年就已經開發,當時美國德州大學(University of Texas)發現以磷酸製作電池,能實現較高的額定電流(current rating)與較長的電池壽命,但該技術直到最近十年之內才被商業化佈署。

然而電池技術持續達到更高的重量與體積能量密度,其中有一些改善是以單一種化學配方實現,也有一些是透過新的化學配方達成。而鋰離子電池技術的下一次突破,有可能是以鋰硫(lithium-sulfur)電池與鋰空氣(lithium-air)電池為基礎。

如同摩爾定律,這種趨勢線是有實際限制的,就算一年有5~8%的成長,也很難讓一種材料取得超過每個原子1電子伏特(eV)的更多能量,粗略的計算可達到850 Wh/kg;聽起來好像不錯,但這也比鋰鈷(Lithium-Cobalt)電池技術的密度高五分之一而已。在現階段,這只能說是慢動作版本的摩爾定律。

編譯:Judith Cheng

(參考原文: Do lithium-ion batteries follow Moore’s Law?,by Larry Desjardin)