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更輕巧、更快充飽電、更安全!但為何特斯拉絕口不提「固態電池」?

電動車產業追求更短的充電時間、更長的里程數,但同時不會增加電池組成本和著火風險,就目前使用的鋰離子電池而言,這些目標已經觸及技術天花板。 (來源:Dreamstime)
撰文者:金融時報
金融時報精選 2021.04.10
摘要

1. 電池技術是否革新將影響電動車能否普及,目前的鋰離子電池裡的液態溶液易燃,不易回收。要改善電池組的安全性和能量密度,同時不能增加成本並影響電動車價格,已經達到技術上限。

2. 下一代技術固態電池將提供改變,可以多存8成的能量,壽命更長,效能不會降低,因此需要較少原料。

3. Toyota豐田汽車已獲得1千項涉及固態電池技術的註冊專利,對於特斯拉來說,事態發展構成了威脅,如果在家中就可以幫車快速充電,特斯拉遍布全球的超級充電站將失去競爭優勢。

馬斯克說,電池,是未來的關鍵。它們推動科技革新,替世界帶來智慧型手機、平板電腦,以及電動車--消費者被鼓勵從石化燃料轉向。然而,驅動現代世界的鋰離子電池,其背後科學卻超過30年幾乎沒有改變。

電動車裡的鋰離子電池困擾著電動車產業,放大該產業的骯髒秘密。鋰離子電池包含數百公斤的金屬和原料,尤其是石墨、鈷和高純鎳,這些金屬原料可能在採礦和精煉過程中造成嚴重汙染並增加二氧化碳排放量。安全是另一個問題:這些電池容易起火和爆炸。

因為這些缺點,讓人能夠理解為什麼大家對固態電池感到興奮。固態電池是一個備受吹捧的技術,承諾會解決上述的環境和安全問題。這個次世代電力來源擁有薄薄一層固態電解質,能夠取代現行鋰離子電池裡易燃的液態溶液,而且能夠更密集地儲存能量。電解質還可以兼作電池隔板,隔板是鋰離子電池裡的必要組件,而用電解質當隔板可以減少起火風險,也減少所需原料數量。

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電動車製造商特斯拉執行長馬斯克很不尋常地絕口不提固態電池,他幾乎沒有在公開場合談過它,包括去年9月的「電池日」。

目前,業界尋求更短的充電時間、更長的里程數,但同時不會增加電池組成本和著火風險,這些目標已經觸及技術天花板;解決這些限制,是讓電動車革命真正起飛的關鍵。固態電池提供了部分解決方案,但它卻可能讓特斯拉付出一個代價:讓出無可爭議的市場領導者地位。

電池技術急需革新

兩股趨勢正加劇改變電池技術的急迫性,一個是歐洲和中國轉向電動車的趨勢日益增加,一個則是全球對工業金屬的需求激增,可能會削弱長期供應。

去年,由於逐步實施更嚴格的碳排放目標,歐洲電動車銷量成長超過一倍。包括英國、德國在內,越來越多國家承諾從2030年開始禁止新的汽柴油車。政府現在視綠能技術為刺激放緩的經濟成長的一種方式。

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在中國,去年電動車銷量創新高,達130萬輛。「這已經跟補助完全無關,補助現在只佔電動車銷售總額的一小部分,大約1/10」,摩根大通(JPMorgan)分析師毛馬克(Mark Mao)表示:「銷量只會繼續往上。」

電池製造商降低製造成本,一部分來說激發了這些樂觀情緒。根據諮詢公司Benchmark Mineral Intelligence,一個鋰電池組--電動車最貴的零件--過去十年單電池的價格下降近9成,去年達到每千瓦時110美元。

平均而言,電動車仍比傳統汽車貴3成,但瑞銀(UBS)分析師表示價差正在縮小,再3年價格可以持平。到那時候,對電動車的需求將進一步加速,代表對電池的需求很更多。

然而,電池技術的局限帶來一些問題,可能會減緩大幅採用電動車的速度。

電池裡高度可能起火的液態溶液不只易燃,而且不易回收,打擊轉賣的價值。價格是另一個因素,目前每台電動車的電池組成本是1萬2千美元,要改善電池組的安全性和能量密度,同時不能增加成本,已經達到技術上限,代表長里程的鋰電池電動車存在內建的價格下限。舉例來說,入門款的特斯拉Model 3起價37,990美元,現代汽車Ioniq起價33,245美元。

電池不只昂貴且不穩定,還又大又笨重--一台特斯拉Model S的電池就超過540公斤。電池的大尺寸讓車內伸腿空間縮減,也限制了其他設計空間;電池的重量讓電動車比汽車重上許多,需要更多功率才能行駛相同的里程,尤其是在寒冷的天氣。除此之外,充電時間很長,平均大約需要50分鐘,充電設施不足,都指出有改善的空間。

電池革新面臨的障礙

「快速充電跟液態電解質不合,過程中產生的熱會毀損電池,而且絕對會提高起火的風險」,布朗大學工程學教授謝爾頓(Brian Sheldon)表示:「固態電池可以解決這種風險。」

電動車支持者似乎接受這些限制並採取變通做法,像是在冬天關掉暖氣,或是不用加速器、延長行駛里程。

但大多問題--尤其是安全性--並不能輕易解決。傳統電池裡鎳、鈷和錳的含量相等,近期的產業趨勢則把主要組件陰極裡的鎳的比重增加達超過8成。這幫助增加里程數,鈷的成本是鎳的2倍,如此也減少使用較貴的鈷,降低製造成本。

不幸的是,這種金屬組合讓電池更不穩定。中國是第一個把這種電池商業化的地方,5月以來,3台配備這種電池的車起火燃燒。其他金屬組合如鋰和鐵雖然更安全,但能量密度較低。

原料供不應求

另一個問題是,每個人從汽車製造商到智慧型手機開發者都需要電池這個關鍵組件,對原料的需求上升。這推升所有原料在過去一年的價格,包括鎳、石墨、鋰、鈷和銅。加上美元貶值,大多商品以美元計價,價格可能進一步上漲。

平均來說,一台電動車的電池需要20公斤的鎳(一台特斯拉Model 3需要30公斤)、多達20公斤的鈷用在陰極以及大約60公斤的鋰化合物。在所使用的金屬中,鎳最重要,因為鎳可幫助電池儲存更多能量,並減少對更昂貴鈷的需求。

在去年歐洲電動車產業使用的鎳中,特斯拉占掉超過一半,馬斯克曾對此表示擔憂。特斯拉計畫在2030年前生產能儲存3兆瓦時的電池,美國投資銀行傑富瑞(Jefferies)表示,屆時,用現行開採量衡量的話,將耗盡世界大部分的鎳產量。提高產量很困難,不到一半供應的鎳適合用來做電池;很難能發現新的鎳礦床,代表無法排除未來會鎳短缺。

鋰供應受限制,但是是因為不同的原因。鋰是一種豐富的資源,但公司提煉它用來做電池的能力有限,而且幾乎沒有東西可以替代鋰。建造新的鋰礦開採設施可能需要長達10年的時間。電動車製造商的需求如此之大,分析師預測今年底供應就會開始短缺。鈷也面臨同樣的命運,瑞銀表示,預計未來十年將繼續供不應求。

結構性因素也發揮作用。高盛(Goldman Sachs)說,一個新的商品超級週期--基礎原料價格長達數十年的上升趨勢--才剛剛開始。這將加速業界尋找電池原料和基礎技術的替代品。

下一代技術:固態電池

福斯電池中心負責人布洛姆(Frank Blome)形容,固態電池會替鋰離子電池「結束遊戲」。

固態電池更安全、便宜而且壽命更長,效能不會降低,因此需要較少原料。單電池可以像砌磚牆一樣疊起來,讓它容易安裝到不同的汽車設計中。它更輕巧,10分鐘左右就可以充飽電,而且有更高的能量密度,能提供兩倍或更多的里程數。可以完全不使用石墨或鈷,回收固態電池的過程相較之下更簡單和安全。

「回顧歷史,下一代技術--從汽車排氣系統到冰箱等各種東西--極大減少使用的原料量,固態電池應該也一樣」,首爾的風投公司Hana Ventures執行長Donghwan Kim說。

產品原型顯示,與相同重量和體積的鋰離子電池相比,固態電池可以多存8成的能量。能量密度較高的鋰金屬可以代替石墨,有助減少電池的重量和體積。

對於那些希望提高鋰離子電池性能的人來說,在行駛中的車輛上安裝重量超過500公斤的電池(同時不影響里程數和安全性)是一項艱鉅的挑戰。這引起一些分析師對特斯拉的懷疑:特斯拉野心宣稱,未來3年將量產鋰離子電池,並把傳統鋰離子電池的能量密度提升50%、增加行駛里程。

「比現在的上限增加50%將比目前的電池大上許多,因為需要用更多原料在陰極」,布朗大學的謝爾頓說:「要把這麼大的電池放進車裡將是艱鉅的挑戰。」

過去20年來,傳統電池的能量密度大約提升4%,達每升約700瓦時,轉譯成行駛里程,大約是500公里。要再進一步增加能量密度很難,因為單電池和液態電解質將佔據大量體積。

固態電池將提供改變,它們能夠把能量密度提升超過每升1千瓦時,相當於800公里的行駛里程,同時還可以在退化前勝任更多充電週期。在其較長的使用壽命中,它能保有更多能量,有可能達成100萬英里電池的目標。這會大幅改變終身使用成本,並減少使用原料。

誰能把固態電池變成現實?將威脅特斯拉地位

固態電池的製造仍面臨諸多實行上的困難。

產品原型雖然開發出來了,但現在在實驗室測試的只是一小部分的電池組,之後每台長里程電動車都需要至少比那多出20倍的電池組。工廠將很難量產它們,目前每個電池的製造成本約為10萬美元。

要達到量產是很多年以後的事,但公司已經越來越靠近目標。「跟以前最大的不同是,現在固態電池技術已經發展,因此阻礙商業化的問題已經被識別」,謝爾頓表示:「這就足以令人感到樂觀。」

受到最多關注的公司是福斯和比爾蓋茲支持的矽谷新創QuantumScape。該公司致力於在2024年實現商業化製造。通過一家特殊目的收購公司上市後,QuantumScape的股價去年上漲了1000%以上,市值一度超過通用汽車(General Motors)、接近500億美元。

科羅拉多州的新創公司Solid Power正在生產小批量的22層鋰金屬電池,與現有的長里程電池相比,這種電池已經提供更多續航里程。該公司計劃在一年內製造更大的電池,並在2025年之前將電池安裝在汽車上。

然而,對於正在尋找特斯拉顛覆者的投資人來說,像這樣的新創公司可能不是最好的選擇。他們缺乏從頭開始製造關鍵組件的製造能力。目前,在傳統電池、汽車和機械領域佔據主導地位,並且能夠使用機械和原料的公司,更有能耐生產大量零件。

因此,一些亞洲公司最有望使固態電池成為現實。Toyota將在今年推出一款原型,只需充電10分鐘就可以續航500公里。2年前,Toyota的Lexus LF-30概念車款問世,配備緊湊型固態電池。目前,Toyota已獲得1千項涉及固態電池技術的註冊專利。

韓國三星提供另一種原型,充電一次就能提供800公里的續航里程,它的尺寸比傳統電池減半。「這項技術是提升電動車里程的革命性基礎」,首席研究員Dongmin Im表示。它的生命週期超過1千次充電,相比之下現有電池快速充電60次以後就會開始損失容量。

對於這些公司及其投資人來說,固態電池是一個豐厚的賭注。這種技術每一次逐步改進,都為先行者帶來意外收穫。三星將推出第五代鋰離子電動汽車電池,它已經簽下多紙合約,包括一紙與BMW簽訂價值35億美元的合約,將在未來十年替BMW供應電池。

對於特斯拉來說,事態發展構成了威脅。它主導電動車市場,主要是因為長里程、快速的充電時間、創新的軟體和破壞式行銷。但是,如果在家中就可以幫車快速充電,特斯拉遍布全球的超級充電站將失去競爭優勢。

要了解製造商離商業化有多近,「專利」提供一絲線索。根據歐洲專利局追溯到2005年的數據,全球電池和電力儲存設備的新專利申請數量,增長速度是所有其他技術領域平均的4倍。其中,與固態電池相關的專利數量成長幅度最大,代表固態電池進入市場的時間將比預期中更快。

「多快開始量產,僅僅只被投入多少資金所影響」,Hana Ventures的Kim表示:「舉例來說,製造晶片時,大多限制--包括那些曾被說技術上不可能的--都透過增加資金而克服。最近電動車市場的成長,代表更多資本能夠被分配、用來把固態電池推向市場。」

責任編輯:張方毓
核稿編輯:林易萱

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