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電動車時代
電池大競賽

吳旻蓁 文章摘錄自第2134期

經歷車用晶片大缺貨的慘痛教訓, 這回電動車廠積極卡位車用電池,而且相關供應鏈業者低調指出, 車廠對於電池技術布局的深度與廣度遠超過想像, 甚至在固態電池到氫能電池的領域,已經看到下一場新革命的開始。

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

因此為了繼續降低電動車成本,並提高續航力、效能與安全性,電池的技術勢必還要持續突破。專家指出,所有電池都包含正極、負極及有催化作用的電解質,在這三大元素不可改變的前提下,要有革命性的突破,就要從調整電池的化學成分下手。目前包括能量密度是石墨十倍的矽,充電速度是石墨數倍的石墨烯,壽命是石墨十倍(一千次)的鈦酸鋰,還有將整個電池體系大改造的鋰硫電池、鋰空氣電池、固態電池等,甚至許多非鋰元素系列的材料,如成本較低的鈉、鎂,還有壽命較長的鋁等,都紛紛吸引全球廠商爭相投入發展。

當中,固態電池就被視為是有望取代鋰電池的明日之星。其概念是將液態電解液改以全固態的電解質,不會因隔離層破損就導致正負極接觸短路爆炸,大大降低熱失控風險,也因為能搭配更高能量的正極與金屬鋰負極,因此不僅能量密度更高,充電效能也遠優於鋰電池,充電約十分鐘即可獲取五○○公里的續航力,這樣的充電速度已接近加油的時間,且在攝氏負二五度到六○度的溫度範圍都能正常運作,具備高度穩定性與安全性;此外,固態電池壽命長,使用三○年還能維持九○%的續航力。

雖固態電池還有一些問題待解決,像是充放電時的膨脹與收縮,恐破壞固態材料的緊密與排列、固態電解質導電度不如液態電解質等,加上由於是一種新技術,因此在達到更大規模和改進製造製程之前,價格非常昂貴是必然的,但因有著絕對的優勢,早已吸引多數電池大廠、車廠加速追逐固態電池的發展,如Toyota、福斯集團、Nissan、蔚來汽車等也都計畫在三、五年內開始發展固態電池與固態電池原型車。

許多新創業者也相繼湧入可望分一杯羹,像是有比爾蓋茲、福斯汽車撐腰的美國新創公司QuantumScape,去年底向投資者展示一款可在十五分鐘充飽八○%電力的固態電池,隨後股價立即飆漲,雖後來受外界質疑技術誇大導致股價大跌,但足以顯見其話題性。反觀國內,籌組MIH的鴻海(2317)也跟上趨勢,高喊投入固態電池技術,目標在二○二四年,就會推出首款商業化的固態電池。

固態電池蓄勢待發

從多數廠商的研發排程來看,市場預估固態電池真正落地的時間會在二○二五年之後,並從二五年的十五GWh,快速增長到三○年的一二一GWh,相關滲透率將由一.二%上升到三.八%,而二○三○年後將步入商業化初期,市場規模有望突破六○億美元。彭博能源財經(BloombergNEF)也預估,固態電池若能大規模的生產,成本將只有鋰電池的四○%,因此若研發順利,最終成為主流使用電池,屆時電動車電池就有機會在三○年時降到五.八美元/kWh。

除固態電池外,氫能電池也是備受矚目的焦點,像是Toyota一直以來都將氫氣發電視為未來重要的動力來源,旗下車款Mirai就是最具代表性的氫能源車;近年來許多國家也紛紛推出氫能政策與補助,有利相關產業發展,而搭上趨勢的個股股價更是群起大漲,如美國氫燃料電池製造商Plug Power今年一月股價一度從三二.一七飆漲至七五.四九美元,雖目前股價幾乎跌回起漲點,但看好氫能長期發展,摩根大通日前調升其評等至買進,股價長線看旺,有逢低布局的機會。

隨著電動車發展勢不可擋,電池的角力戰同步展開,實際上,目前電池市場幾乎都是由日本、韓國與中國等東亞公司主導,但隨著電池的開發成為製造戰略的一部分,加上美國、歐盟重新檢視自身電動車電池供應鏈,對於新電池供應商的組建,政府勢必更加強介入程度,而這將有助於歐美公司重新贏回下一階段的電池競賽。雖然要瓦解鋰電池長期以來的統治地位還有一大段路要走,但科技日新月異,未來究竟哪種電池會稱霸市場?電動車電池公司排名是否掀起一陣洗牌?有待持續關注。