【科技．未來】滿足五大關鍵需求 固態電池可助電動車成為主流？
儘管鋰離子電池的能量密度和壽命在過去十年穩步上揚，但電動車在各種性能指標上仍落後於使用內燃機的汽車。例如大多數電動車的航程不足300英里、充電需一個多小時、電池容量在十年內損失近三分之一，並因為用上易燃材料而構成嚴重安全風險。
要解決鋰離子電池的問題，固態電池是一個已知數十年、理論上可行的答案，但一直沒有人能製造出耐用、便宜又安全的版本。去年9月，QuantumScape聲稱已經解決了固態電池的關鍵技術難題，上月初還提供了實驗數據。
四十年電池難題
據QuantumScape公布的資料，其固態電池可在15分鐘內充電至80%滿（汽車雜誌《MotorTrend》去年曾進行測試，Tesla的V3超級充電站在37分鐘內將車款Model 3的電量從5%充至90%）。電池在800次充電周期—相當於駕駛24萬英里後，仍可保留80%容量。
固態電池的概念很簡單，是將鋰離子電池內使用的液態電解質改為使用固態電解質。當不再使用易燃的液態電解質，理論上更安全。QuantumScape的電池大約相當於一張撲克牌的大小和厚薄。它的陰極（cathode）由鎳錳鈷氧化物（NMC）製成，是當今電動車電池中的常見物質。現時鋰離子電池的陽極（anode）主要由石墨製成，因為它易於儲存在電池中來回穿梭的鋰離子；但QuantumScape和其他固態電池的陽極完全由鋰金屬製成。
QuantumScape的第一個突破之處，開發出一種固態陶瓷物質，同時作為電池電解質和隔膜。它只有幾十微米厚，並可抑制枝晶形成，還容許鋰離子輕鬆地來回移動。由於電解質在電池陰極一側是某種形式的凝膠，所以它不是完全固態電池。QuantumScape的另一突破是，其固態電池採用「無陽極」設計。充電時，電池陰極一方的鋰離子會穿過隔膜，在隔膜的另一側與電池的電力接觸點之間形成一層鋰，是為暫時的陽極。電池放電時，這層鋰幾乎完全回到陰極。這樣陽極就毋須使用任何不直接參與儲存能量或攜帶電流的材料，從而進一步減少電池必要的重量和體積，增加能量密度。該公司還聲稱這應可降低製造成本。
美國卡內基梅隆大學機械工程系副教授、QuantumScape技術顧問Venkat Viswanathan形容，固態電池被視為行業的「聖杯」。他說有份開發鋰離子電池的2019年諾貝爾化學獎得主Stan Whittingham，早於1976年發表了一篇有關鋰金屬陽極的論文，並稱之為「新電池系統的基礎」。Viswanathan說：「這個問題已有四十多年歷史了。如果鋰金屬電池成功，代表着在大眾市場之電動車和消費電子產品中，在相同重量的電池組下，可以分別得到額外50%的航程或電池使用時間。」QuantumScape聲稱其電池體積容量密度超過每公升1,000瓦時，估計比鋰離子電池多50%至100%，電動車航程可增加逾80%。
打進「98%市場」
QuantumScape行政總裁Jagdeep Singh認為，實驗結果證明了該公司的電池可滿足五個關鍵的消費者需求：更低成本、更遠航程、更短充電時間、更長壽命和更安全；而這些都是令電動車一直在美國只佔新汽車銷量不足2%的因素：「任何能夠滿足這些要求的電池，都可以讓你開啟本來無法打進的98%市場。」他補充：「今天的電池沒有競爭力。它們沒有足夠的能量密度來滿足所需航程，沒有能力快速充電。今天最好的電池大約要花一個小時才充滿電，但顯然汽油車在5至10分鐘內就能入滿油。」
QuantumScape獲一些投資者支持，其中，德國福士已投資逾3億美元。兩者共同成立了一間合資企業生產電池，預計在2024至2025年開始生產，會應用到福士的私家車和貨車上。投資者還包括微軟（Microsoft）創辦人蓋茨（Bill Gates）和昇陽電腦（Sun）創辦人Vinod Khosla。電動車以外，Straubel還預期：「有了這種能量密度和功率，電動航空就會變得吸引和可行。」
群起追逐「聖杯」
現時，幾乎每個汽車製造商都視電動車為未來，不少大國和大型汽車市場正逐步淘汰以汽油為動力的私家車和貨車。在這股潮流下，擁有逾1,000項相關專利的日本豐田汽車可能是固態電池的領先者。這間全球最大汽車製造商計劃成為第一間在2020年代初銷售配備固態電池的電動車公司。豐田正與松下（Panasonic）合資的公司開發、生產和銷售固態電池，原計劃在2020年東京奧運會上發布使用這種電池的電動車，雖然計劃因疫情而延期，但動力總成部門副主席海田啓司說，豐田仍按照進度將於本年推出固態電池原型，並跟福士一樣可於2025年開始生產。另一日本車廠日產（Nissan）也計劃開發固態電池，預計2028年應用於電動車。
除QuantumScape外，另一初創公司Solid Power亦已研製了一款可運作的固態電池。其行政總裁Doug Campbell指，已經生產出更大型的固態電池，可能更為接近用於電動車的規格。他們自去年第二季起在位於美國科羅拉多州的工廠試點生產線上，生產具十層的電池原型。
Solid Power已經與多間汽車製造商如福特（Ford）、寶馬（BMW）、現代（Hyundai）等建立了合作關係。Campbell計劃在2022年將其固態電池作汽車零件規格驗證，他預期：「假設一切不變，而且代工生產商（OEM）的運作步伐能夠維持，我們有望在2026年開始支援汽車生產，但2027年的可能性更大些。我們正與一些OEM洽談可否加快進度。」
其他正研發固態電池的公司也獲不同車廠和供應商支持，例如Ionic Materials得到現代、三星、雷諾、日產的投資；SolidEnergy就得到通用汽車（GM）、上海汽車集團、韓國SK集團等投資。而在中國，清陶能源會從本年起，未來三年在包含固態電池在內的研發領域投入逾10億元人民幣。繼續閱讀：【科技．未來】數據亮麗惹市場熱炒 固態電池初創可挑戰Tesla？
（節錄）
上文節錄於第249期《香港01》周報（2021年1月18日）《滿足五大關鍵需求 固態電池或助電動車成主流》。如欲閱讀全文請按此試閱周報電子刊，瀏覽更多深度報道。