電動車的電池效能何時能拉近與汽油的差距?

電池與燃油的能量密度在先天上存在著極大的差異;但是燃油是「物質」,電池是「技術」,物質無法改變,技術可以與時俱進不斷提升。更重要的是,電池並不需要達到燃油的能量密度,就能使電動車的實用性、節能、與電費支出,在不久的未來完全取代燃油車了。

      相較於燃油車,電動車在目前的技術障礙之一是鋰離子電池能量密度過低的問題 以現在最強的三元鋰離子電池技術與CTP電池包技術合併來看,單體能量密度的極限大概在250 Wh/kg;至於汽油蘊含的能量,則相當於12,300 Wh/kg,是電池的49倍之多!但在車輛的能源轉換效率上,燃油車因機械損耗與熱能散失等因素,平均只有30%的能量可用在驅動車輛上,而電動車的效率則可達90%(含動能回收)。這樣一來一回合計,燃油的有效能量密度仍約是鋰電池的16倍,這還沒將電池因環境溫度而可能流失的能量考慮在內。如此看來,是否未來的電動車都要拖著重達數百公斤的電池,才能免除哩程焦慮呢?

    現在再從台灣消費者用車的油費/電費來比較兩者的差距 以今天的中油95無鉛汽油來看,每公升是31.3元;而電費費率在住宅離峰時段做慢充,約用2/度來做計算,在公共慢充與快充則分別用7元與12/度來計算;這三種充電方式的使用組合就暫以50%25%25%來做試算,則得出5.75/度的平均用電費率。95無鉛汽油的比重是0.73,所以每公斤的價格是42.9元( = 31.3 / 0.73 ),相當於用11.6元買到有效1度電的能量( = 42.9 /  (12.3 x 30%) )。電動車的有效1度電費率則是6.4元( = 5.75 / 90% )。所以從油費/電費的角度來看,電動車的有效能量單位購買成本只有汽油車的55%。當然如果大部份時間都是使用家充的話,這個比例會更低。

    話說回來,雖然用電比用油便宜,但從節能的角度來看,要擁有約當於燃油車加滿油可行駛哩程數的電動車(免除哩程焦慮的問題),需要至少120 KWh 的電池容量;而就算使用高能量密度但高成本的三元鋰電池,整個電池包的重量將近700公斤( = (120 / 0.25 ) / 70% ),更別說使用目前主流的磷酸鐵鋰電池的話,重量將達1,150公斤。這是完全不切實際而又與「節能」概念相砥觸的走向。一台2000cc 汽油車的引擎、變速箱、再加上滿油的油箱,重量大概也就是300多公斤。如果光是電池包的重量就遠超過這個數字,這不是又縮減了可行駛哩程數嗎?! 所以簡單地說,開發能量密度更高的新型電池的工作勢在必行,而且最好是三元鋰電池密度的2倍,也就是500 Wh/kg。如此一來,電池包的重量就可望減至300多公斤,也根本不用擔心仍然差距燃油能量密度太多的問題,因為500 Wh/kg的實用性與節能考量已能符合導入電動車的本意了。

    下一代動力電池的研發,目前以固態電池為主流,各家新創廠商紛紛提出目標與時程表,能量密度目標值從300450不一而足;但我倒是覺得中國政府在幾年前所提出的電池芯技術目標時程可供參考 2025 400 Wh/kg2030 500 Wh/kg。這代表了2025年以後生產的電動車,不論是用什麼型式的電池,都漸將成為可取代燃油車的新世代產品。