固態電池技術何時能有突破性進展?

固態電池是催化電動車普及化的關鍵技術之一。不只是因為其可解決哩程焦慮、降低車輛受撞擊後起火燃燒的風險,同時更可迫使鋰離子電池的價格下降,從而使電動車的售價更為親民。以目前的技術進程來看,我認為到2028年左右,同一款車型搭載固態電池與鋰離子電池不同選項的情況將在市場上隨處可見。

     動力電池的研發在這幾年進展速度飛快,除了三元鋰與磷酸鐵鋰的鋰離子電池為應用主流之外,鈉離子電池、磷酸錳鐵鋰(LMFP)電池、矽基負極電池(目前一般為碳基負極)、富鋰錳基電池、以及固態電池,皆是下一代電池技術推進的選項,而其中固態電池是目前的研發重心。

     自從2018年掀起成立固態電池新創公司的風潮以來,這四年間的技術進程並不太順利;一方面傳統的鋰離子電池性能持續改良,製程日趨成熟穩定,另一方面全球普遍設定2030年的電池能量密度目標應達到500wh/kg (目前最強的三元鋰電池也只有250wh/kg,一般市售電動車的電池在200wh/kg以下),因此固態電池具商業化價值的技術目標持續在上修。如果在製造成本與能量密度沒有達到最佳的平衡點時,固態電池的產品競爭力就會受限。目前固態電解質種類有三大技術路線

  • 聚合物。成本高且電導率低,對充放電速率有影響。歐美公司多採此路線。
  • 氧化物。各項性能指標的表現較平均,但電導率也偏低。中國公司多採此路線。
  • 硫化物。電導率較高,成本低,但技術門檻最高。日韓公司多採此路線。

    整體而言,固態電池雖穩定性高、壽命長、能量密度大,但固態電解質較液態電解質的電導率落差約10倍,所以充放電效率是個挑戰;且因與電極之間的接觸界面阻抗較大,長期化學反應下易引發副作用而影響電池整體性能。理論上,固態電池芯的能量密度可高達900wh/kg,但要如何提升充放電效率,至少要接近鋰離子電池的水平呢?

美國哈佛大學在去年發表了一篇論文,以 “三明治” 式的電池結構,將固態電池的充飽電時間壓縮到20分鐘以內

  • 以鋰金屬取代石墨,做為負極,用以提升電池容量。
  • 固態電解質分為兩層不同的材質,解決鋰金屬做為負極所易產生的鋰結晶穿透而造成短路的問題。
  • 石墨隔層置於正、負極上,隔離固態電解質的直接接觸,以在電壓升高時發揮隔熱的效果。

    當然這個研究報告還是處在實驗室的階段,如何得以實現商業化,還有很長的路要走。整體來看,歐美日等國固態電池新創將在2025年之後陸續將研發成果搭載於成車

上試行,並在2028年左右量產。但還是老話一句 如果成本沒有逼近鋰離子電池,而且電池包(不是電池芯而已)的能量密度還沒到500 wh/kg 以上,固態電池就難以替電動車產業帶來革命性的改變。