全固態電池量產仍有挑戰,下一代電動車電池競賽隨半固態電池上車而走向務實化

全固態電池過去幾年,幾乎都是談到電動車下一階段的技術突破時,最容易吸引目光的關鍵字。更高能量密度、更長續航里程、更快充電速度,以及降低熱失控風險,讓全固態電池一度被視為足以重新定義電動車產品力,甚至徹底改變燃油車與電動車競爭關係的關鍵技術。然而,從近兩年的產業發展來看,真正即將大量進入道路與量產車市場的技術,可能並不是一步到位的全固態,而是介於傳統液態鋰離子電池與全固態電池之間的半固態、準固態,以及各種混合式電解質架構。這也代表全球電池產業的競爭主軸正在發生微妙變化。過去業界會將下一代電池描述為液態鋰電池對決全固態電池,如今更接近半固態先商業化、全固態再逐步跟進的演進路徑。原因並不難理解,因為真正的全固態電池雖然理論性能誘人,但固態電解質與電極之間如何長時間維持穩定且緊密的接觸、如何控制鋰金屬負極的界面問題,以及如何在車用環境下兼顧壽命、成本與大量製造良率,仍存在不少工程挑戰,部分設計甚至必須透過相當程度的外部壓力才能維持正常運作。

相較之下,半固態或準固態技術沒有完全捨棄液態成分,而是透過降低液態電解質比例、導入凝膠或特殊複合材料,在現有鋰離子電池製造體系與全固態電池之間取得折衷。這種路線雖然沒有完全固態那麼革命性,卻能更快導入現有汽車產品,因此從產業角度來看,反而可能是2020年代後半真正影響電動車市場的技術。中國大陸車廠已率先證明這條路線具備實際裝車能力。蔚來汽車在2024年推出由衛藍新能源供應的150kWh半固態電池,重量能量密度達260Wh/kg,原先構想是利用蔚來換電體系,讓消費者在長途旅行時租用高容量電池,不必為了少數長途需求永久購買昂貴的150kWh電池。不過市場需求並未如預期成長,在僅生產數百組之後便停止生產。這個案例同時提醒產業,即使電池技術已經成熟到可以上車,技術可行與商業模式成立仍是兩件不同的事情。

上汽集團與清陶能源的合作則更加積極。智己L6 Lightyear Max搭載130kWh半固態電池,CLTC標準續航里程達621英里、約999公里,並可透過400kW充電功率,在12分鐘內補充約249英里、約400公里的續航。即使CLTC測試結果不能直接等同於實際道路續航,這組數據仍說明半固態電池已經能在能量密度與快充能力方面,明顯突破傳統電動車的產品規格。

中國大陸最大動力電池業者寧德時代的布局同樣值得注意。其與多家車廠合作開發半固態與凝聚態電池,搭配高鎳正極及高矽負極,同時持續投入更長期的鋰金屬技術研究。這代表全球最大電池供應商之一並沒有押注單一技術,而是建立從現有液態鋰電池、半固態,到未來全固態與鋰金屬電池的多層次產品線。對大型電池企業而言,真正重要的可能不是率先宣布全固態量產,而是確保每一個技術世代都能維持市場競爭力。

另一方面,日本與韓國業者仍積極朝真正的全固態架構推進。Toyota與出光興產合作開發採用硫化物固態電解質的全固態電池,目前已開始建設電解質試驗產線並建立供應鏈。硫化物固態電解質具有較高離子導電率,是目前最受重視的全固態技術路線之一,但材料穩定性、製程環境以及大量生產成本仍是商業化必須克服的問題。

Samsung SDI則與BMW等車廠合作開發據稱採用氧化物固態電解質、無負極/鋰金屬架構及高鎳正極的全固態電池,目前已有試驗產線運作,並將2027年設定為量產目標。BMW本身也與Solid Power合作發展硫化物固態電解質與鋰金屬技術,相關車用尺寸電芯已裝上BMW i7進行驗證。這些計畫顯示,全固態電池並沒有停滯,只是從實驗室成果走向大規模汽車量產所需的時間,比早期市場預期更長。

Volkswagen集團旗下PowerCo與QuantumScape的合作則代表另一種技術方向。其電芯利用純銅集流體,在第一次充電時形成鋰金屬負極,並透過固態陶瓷隔膜抑制鋰枝晶生長,但正極端仍使用液態電解質維持與正極材料的接觸。因此嚴格來說,它並不是傳統概念中所有部分皆為固態的電池,而是一種高度工程化的混合架構。目前相關技術已在Ducati電動機車進行實際展示,Volkswagen與QuantumScape也已簽署生產授權協議,距離商業化又向前一步。

Mercedes-Benz與Factorial Energy的進展同樣具有指標意義。雙方採用Factorial的FEST準固態電解質與鋰金屬負極,並已將電池裝入EQS原型車進行道路測試,單次充電完成749英里、約1,205公里行駛。更重要的是,這並非單純實驗室電芯測試,而是完成整套電池包與整車整合,因此對判斷下一代電池距離實際道路應用還有多遠,具有更高參考價值。Stellantis也已推出搭載Factorial FEST電芯的Dodge Charger Daytona測試車,顯示同一套技術正開始接受不同車輛平台驗證。

不過這些案例也揭露了固態電池經常被忽略的壓力管理問題,部分固態或準固態架構必須持續對電芯施加壓力,才能確保電解質與電極維持良好接觸。Mercedes-Benz與Factorial的測試電池甚至需要氣壓致動裝置維持壓力。對實驗室而言這可能不是重大障礙,但進入量產車之後,壓力機構意味著額外重量、體積、成本與可靠度需求,因此真正決定技術能否普及的,不只是Wh/kg或充電速度,而是整個電池包能否以合理成本在十年以上的汽車生命週期內穩定工作。

在這場競賽中,台灣其實也占有一席之地。輝能科技已與Rimac簽署合作備忘錄,發展其稱為超流態全無機鋰陶瓷電池的技術。第四代SF-Ceramion電解質的特色,是大部分狀態下具有固體特性,但在與電極接觸的界面呈現類似液體的行為,希望藉此同時取得固態電解質的安全與能量密度優勢,以及液態電解質良好的界面接觸能力。輝能更宣稱,這種架構可以避免使用額外加壓模組。如果最終能在車規壽命與大量製造環境下實現,將有機會解決目前部分固態電池最棘手的系統整合問題之一。

從這些車廠與電池業者的布局來看,下一代電池其實已經不適合簡單用液態、半固態、全固態三種標籤分類。各企業正在正極、負極、電解質、隔膜與電池封裝之間進行不同排列組合,高鎳正極、矽負極、鋰金屬負極、陶瓷隔膜、硫化物與氧化物固態電解質,以及準固態電解質都有可能交叉出現在不同產品中。換句話說,未來並不一定會出現某一天全固態電池正式取代鋰電池的明確分水嶺,而更可能是一連串漸進式技術升級。

這也讓2027年前後成為值得觀察的重要時間點。Samsung SDI等企業已將這段時間設定為量產目標,中國大陸車廠則可能更早透過半固態技術累積實際道路數據。如果這些技術能逐步解決循環壽命、低溫性能、量產良率與成本問題,到了2030年前後,市場上可能同時存在成熟的LFP、LMFP、高鎳三元鋰、半固態、準固態及少量高階全固態電池,而不是由某一種技術全面取代其他方案。

對汽車產業而言,這種發展甚至可能比全固態革命更合理。入門電動車需要的是低成本、可靠且壽命長的電池,因此LFP仍可能長期存在;主流長續航車型可以利用高鎳、矽負極與半固態技術提高能量密度;至於高階性能車、豪華車或超跑,則可能率先承擔全固態與鋰金屬電池較高的成本。電池技術將像燃油車時代的引擎一樣,依照產品定位形成多元化配置,而不是只有單一路線。

因此,真正值得關注的並不是哪一家車廠最早宣布全固態電池量產,而是哪一種技術能率先通過汽車產業最現實的考驗,包括成本、壽命、安全、快充、低溫性能、製造良率,以及數十萬甚至數百萬輛規模的供應能力。從目前進度來看,半固態與準固態電池已經搶先跨過實驗室與實際道路之間的門檻,而真正意義上的全固態電池仍處於產業化前夕。由此來看,電動車電池革命可能不會像過去宣傳所描述的那樣,在某一年突然發生。真正的變革正在以更務實的方式逐步進入市場:先降低液態電解質比例,再導入鋰金屬負極與新型固態材料,最後才朝真正的全固態架構演進。當所有人的目光仍集中在全固態電池何時量產時,半固態電池其實已經上路,而這場看似不夠戲劇化的漸進式革新,反而更可能成為未來數年電動車性能提升最重要的推動力量。