電動車電池使用壽命的障礙排除之路

電池的技術在近年來有飛躍性的成長,但說到使用壽命仍然難以說服大部份消費者。單靠電池的原廠延長保固方案終究治標不治本,而 “車電分離” 的做法理念雖好,但實際執行上只能靠單一品牌的現況也顯見難以普及。真正要能夠消除這項電動車購買障礙,並追上燃油車的水準,可見的時程表應會壓在2028年之後。

目前電動車推廣的障礙因素不少,除了哩程焦慮、充電便利性、與不夠親民的車價之外,大概就是對於電池使用壽命的疑慮了,這也因而牽涉到二手車價的保值問題。一般對於電池壽命的定義是 電池可充電容量衰減至70%以下;電池在不斷的充放電過程中,因化學效應逐漸累積結晶物質附著在電極端,而造成可充電容量降低。車商通常會建議車主可用電量最好都保持在20%80%之間,這樣就可讓電極處於較正常使用狀態,而不易損及電池壽命,也就是說電量不要用到剩太少,充電也不要充到飽。這種建議可說是過於理想化,試想如此一來真正可自在使用的哩程數不就只剩下60% = 80%-20%)了嗎?! 那麼要如何解決這些問題以進一步提升使用壽命?

     首先我們來看看電池組的組合 電池、散熱管線、與管理模組。其中最關鍵的管理模組,負責管控電池充電的速度與電壓電流溫度監控等等,譬如直流的高壓大電流快充在進行充電時,就必須要同時兼顧快速與各項指數的平衡運作以免損及電池。再者使用壽命等同於總行駛哩程數,其中因素包括能量密度、可充放電次數、以及電池外殼造型上的空間利用率(與電池總容量有關)。除此之外在設計上尚需考量充放電速度性能與使用的安全與穩定性。現行主流的鋰離子電池在這些因素上皆有其先天上的技術限制,也因而難以有革命性的突破。即便如此,世界各地的研發人員仍全力在各個技術層面進行探索實驗,爭相尋求下一代電池的解決方案 

  1)能量密度:

  • 四元鋰電池。以三元鋰電池為基礎再調整配方,將鎳的比例加高、追加鋁、減少鈷 ,以提升能量密度同時增加穩定性並降低成本。但伴隨而來的是製程控制的難度提升。
  • 鋰硫電池。近日電池界最熱門的話題,就是研究多年的鋰硫電池終於發展到可商用化的階段。這個低成本的電池號稱可將現行電動車續航力提升至3倍,但其可充放電次數恐也將減少一半,一來一往之間,總行駛哩程路大概多了50%。除此之外,其重量較輕的優勢,也將會是車廠屬意的重點。
  • 全固態電池。固態電池的理論優勢幾乎是全面性的⋯ 因電解質為固體,故解決了大部份的結晶問題,可讓充放電次數達到現今鋰電池的4倍以上;又因可用金屬鋰取代石墨做為負極,故使整體重量減輕而提升了能量密度約50%;因無電解液,故安全性也高。唯在與電極的有效接觸面不若液體電解質的完整,離子的傳輸速率會相對降低,導致固態電池的充放電速度較慢。現在其可商用化的速度較慢,可能還要6~7年,而且我相信到時候的實際數據應該不會像上面的理論數字這麼好看。

  2)可充放電次數:

  • 目前市場主流的三元鋰電池可充放電次數約在1200次左右,而另一主流磷酸鐵鋰電池則在2000次以上。最近出現了電池 “自行修復” 的新技術,藉由管理系統外加的軟硬體裝置來提升上述各類型電池的壽命。這個技術可在電池充電或放電過程中,識別出性能不佳或過熱的電池單體,並在車輛如常運行下,停止單體運作並協助單體自行修復至正常為止。至於這項已取得專利的國外新技術是如何 “修復” 電池單體以及可提升全車電池組多少充放電總次數,應尚屬商業機密而並未做進一步描述。

  3)空間利用率:

  • 電池組大都裝在車輛的底部,空間有限,所以利用率也很重要,否則電池總容量就會受影響。傳統圓柱體電池單體的排列空隙很多,利用率僅約40%;而比亞迪的磷酸鐵鋰刀片電池的扁平外型可整齊插入電池包,讓利用率增加至60%,使得整個電池組的體積能量密度等同三元鋰電池,卻又具更長壽命與更低成本的優勢。