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鋰離子電池競爭對手來勢洶洶

作者:時間:2022-10-06來源:CTIMES收藏

全球綠能運動如火如荼展開,與綠電相關的重要性不言可喻。多年來主要應用于電子產業,如、油電混合車、電動摩托車、電動自行車、中大型 UPS、太陽能、大型儲能電池、電動手工具、航天設備與飛航用電池等,鮮少應用于大規模儲能和動力電池市場。不論是再生能源電網或領域,關鍵技術當屬儲能系統。全球儲能技術可分機械式儲能(如抽蓄水力發電)、電化學儲能()及化學儲能(燃料電池)等三大類,其中,鋰離子電池占比逾80%,仍為主流技術。市場預估,2021年全球鋰離子電池需求量為303GWh,包含及定置儲能系統在內,2030年將超越1,200GWh,增至4倍以上。

電動車跳躍成長帶動鋰離子電池需求
日本矢野經濟研究所(Yano Research Institute)報告指出,xEV(電動車EV、插電式油電混合動力車PHV、油電混合動力車HV)市場成長將擴大車用鋰離子電池需求,2022年全球車用鋰離子電池市場規模預估達443GWh,其中,EV用鋰離子電池市場規模預估年增18.9%,市場占比達89.7%,PHV用市場年增26.8%,HV用市場年增3.1%;預估2025年市場規模將突破800GWh,其中,EV用市場規模預估達726.9GWh,占整體規模的89.9%;預估2030年全球車用鋰離子電池市場規模將突破1,000GWh,其中,EV用市場規模占比近90%。

不只如此,日本市調機構富士經濟(Fuji Keizai)預估,包含乘用車及新車在內,2035年全球EV/PHV/HV市場規模將擴大至4,919萬臺,與2020年相較,暴增約740%,全球EV銷量可望增加10倍之多。電動車市場的跳耀式成長,帶動旺盛的鋰離子電池需求動能!

工研院材料與化工研究所儲能材料及技術研究組組長陳金銘指出,下世代電池需求以定置式儲能及移動式儲能為主,前者如家用、商用及電網儲能系統;后者如電動車,商機最大。國際能源總署(IEA)表示,預計2022年電動車銷量將再創新高,占全球輕型汽車總銷量的13%。車用鋰離子電池組到2030年每度電成本將降到約70美元,與燃油車相近,因此,隨著鋰離子電池技術的快速革新與成本下降,未來在全球運輸電氣化的過程中,移動式儲能與鋰離子電池都具有關鍵地位。

消費性電子產品搭載率逾九成
鋰離子電池(Lithium-ion Battery)為可重復充電電池,主要靠鋰離子在正極和負極之間移動運作,特色是電容量高、體積小、重量輕,一般由正極材料、負極材料、電解液、隔離膜、罐體等組成,其中,正極材料與負極材料對于提高鋰離子電池的電容量密度和低價化的影響最為關鍵。

不同鋰離子電池主要使用的正極材料不同,常用材料為鋰鈷氧化物(LiCoO2)、鋰鎳氧化物(LiNiO2)及鋰錳氧化物(LiMn2O4),最常見的是鋰鈷氧化物(LiCoO2),各有優缺點;負極材料種類較多,如鋰離子嵌入石墨(Li/Graphite)、鋰離子嵌入氣相成長碳纖維(Li/VGCF)、鋰離子嵌入類碳聚合物(Li/Polymer Precursor)、鋰離子嵌入摻雜碳(Li/Doped Carbon)等,最常見的材料是石墨(碳)。

鋰離子電池的能量密度約為鎳氫電池的2倍、鉛酸電池的2.5倍,即使不使用,自放電率也相當低,因此被大量應用在3C或消費性電子產品,加上鋰離子電池具有不可取代的優勢,市占率高于鎳氫電池與鉛酸電池。

不過,多數人知道3C或電子消費產品使用的是「鋰電池」,卻不清楚「鋰電池」可細分為鋰離子電池(Lithium Ion Battery)與鋰原電池(Lithium Polymer Battery),前者可多次重復充電,后者只能一次性使用,不可充電。因為鋰離子電池被廣泛使用,市面上多將其簡稱為「鋰電池」。鋰電池1991年問世后便迅速取代鎳鎘電池(Nickel Cadmium Battery)及鎳氫電池(Nickel Metal Hydride Battery),筆電、手機等產品搭載率已逾九成。

蘋果(Apple)手機也是使用鋰離子電池快速充電,讓蓄電量快速達80%,再轉成涓流方式充電。蘋果官網上對使用鋰離子電池的解釋是:快速充電更加方便,緩慢充電壽命更長,而且充電更輕松;再次充電前不須100%放電。

Apple鋰離子電池以充電循環方式運作,以正常使用或放電方式消耗相當于100%的電池蓄電量就完成一次充電循環,但不一定所有的蓄電量都來自于同一次充電。完成一次循環可能需要好幾天。使用鋰離子電池進行完整的充電循環,蓄電量只會略為減少,而Apple鋰離子電池即使多次充電循環后,仍能盡量保有80%的原蓄電量。

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圖一 : 蘋果(Apple)手機使用鋰離子電池快速充電。(Source:Apple官網)

鋰離子電池的挑戰及限制
雖然鋰離子電池應用多元,商機龐大,卻也存在著挑戰與限制。與傳統的電池技術相比,鋰離子電池的充電速度更快、電池電容量高、溫度范圍大、輕薄短小而且壽命長,還可以重復多次充放電,仍有缺點,如蓄電力會隨著電池出廠時間拉長而減少,一般約2-3年間,電池的最大蓄電力會明顯下降。

此外,3C等產品使用過程中產生的高溫也會加速電池蓄電力降低,因此,不少鋰離子電池內建控制芯片避免過熱,或者透過電池組監控電池的個別電壓,一旦超出安全范圍便會自動斷電,有些電池也會設計排氣孔排出高溫氣體,以免爆炸。

除了充放電次數增加使得電池壽命遞減,鋰離子電池的電解液為液態有機溶劑,遇火易燃,也有潛在的安全疑慮。此外,鋰離子電池的能量密度并非無上限,想進一步提升必須使用鋰金屬取代石墨做為負極,但是鋰金屬在液態電解液進行電池充放過程中會產生鋰枝晶(Lithium Dendrite),穿過隔離膜觸及正極容易導致電池短路,甚至有爆炸的危險。因此,雖然未來商機可期,傳統鋰離子電池仍有需克服的挑戰。

來勢洶洶的新競爭對手:
工研院材料與化工研究所組長陳金銘指出,鋰離子電池的能量密度逼近物理極限的300Wh/kg,因此,業界正積極研發能量密度達500Wh/kg的。前面提到,傳統鋰離子電池的電解液能快速傳導鋰離子,提供大電流,40度以上高溫便有安全及壽命銳減的疑慮,因此,電動車大廠如特斯拉(Tesla)會針對Model S車款設計嚴格的溫控系統,就是為了確保電池使用的安全性。

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圖二 : Tesla Model S車款設計嚴格的溫控系統,以確保電池安全性。(Source:Tesla)

是以固態電解質取代液態電解液,可以增加高能量電池的安全性,能量密度達450-500Wh/kg,是傳統鋰離子電池能量密度180(鋰鐵電池)-250Wh/kg(鋰三元電池)的2倍,優點是安全性高、不漏液,由于固態電解質可抑制材料反應,不易燃燒,可延長電池壽命,而且相同電容量的固態電池重量僅為鋰離子電池的一半。

想要解決鋰離子電池的能量極限及安全問題,以固態電解質取代傳統鋰離子電池的液態電解液是良策。以蘋果(Apple)來說,早在2012年就已布局全固態電池專利,將其應用于筆電、平板及穿戴式裝置。

全球車廠如福斯(Volkswagen)也和QuantumScape共同開發鋰金屬固態電池,QuantumScape指出,固態電池技術與鋰離子電池相比,可以延長電動車80%的續航里程,也被認為是更安全、更便宜的鋰離子電池替代品。QuantumScape的關鍵創新技術在于柔性陶瓷材料制成的隔板,可以阻絕短路結構,而且不會著火,這類固態電池能像鋰離子電池一樣應用于各種產品,還具有進化優勢。

日本豐田(TOYOTA)汽車2020年已推出全固態電池搭載純電概念車LQ,未來將導入油電混合車及豪華車款Lexus。寶馬(BMW)汽車與儲能新創公司Solid Power合作開發的鋰金屬固態電池預計在2025年推出原型,2030年推出量產車款。

Solid Power指出,固態電池比目前電動車使用的鋰離子電池多出50%的能量密度,由于內部無可燃配件,安全性相對較佳,缺點是造價比鋰離子電池高,擴大生產規模以滿足產業需求仍有一段路要走。

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圖三 : 豐田(TOYOTA)汽車2020年推出全固態電池搭載純電概念車LQ。(Source:TOYOTA)

目前鋰離子電池汽車多數掌握在特斯拉(Tesla)之手,消息指出,特斯拉考慮在德州墨西哥灣沿岸建立鋰精煉廠,以確保電動車電池關鍵零組件得以供應穩定,提升電動車產量。如果申請批準,2024年底前可能商業化量產。

由于電池成本占整部汽車約40%,傳統汽車大廠若想與特斯拉競爭,勢必要另辟蹊徑,比方固態電池新型態能源車,但如此一來,又會產生建構全新汽車系統、新零件及新充電站等巨額投資等問題,也將掀起另一波電池競賽。

臺灣工研院為協助臺廠爭取固態電池商機,成功開發以「網狀聚酰胺環氧樹脂」(NAEPE)為電解液的「高能量及高安全樹脂固態電池」,離子導電度及電壓穩定性相對優異,可增加高能量電池壽命及安全性,此項技術可應用于電動機車,電池芯能量密度達320Wh/kg,較市場主流21700鋰離子電池的260Wh/kg性能更優異、更安全,行駛里程及營運成本改善逾30%。

鋰金屬固態電池是下世代高能量密度電池中的重要技術,以鋰取代石墨做為負極材料,可以提升能量密度,工研院已開發出350-400Wh/kg的鋰金屬固態電池,也發展出抑止鋰枝晶的三重保護層技術以提升安全性,并已完成專利布局。臺灣產業若能成功整合軟硬件生態系,加速電動車跨域布局,在固態電池技術2030年商業化之前,仍有機會在電力電子新時代取得關鍵地位。

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圖四 : 工研院開發的「高能量及高安全樹脂固態電池」具有難燃性、高溫循環壽命佳等特點。(Source:工研院)

循環經濟外一章:廢棄鋰離子電池回收
鋰離子電池與固態電池的競合關系如何有待觀察,不過,換個角度觀察,由于綠能與電動車趨勢不可逆,受惠于市場需求大增,全球鋰離子電池需求快速成長之際,預估未來5-10年,將有大量的鋰離子電池屆臨汰役,廢棄鋰離子電池如何回收再利用,建立循環經濟,是另一個值得觀察的重點。

研究機構MarketsandMarkets預估,全球鋰離子電池回收市場規模在2030年將增加至107億美元,年增率約19.4%。鋰離子電池的毒性雖然小于鉛酸電池,仍有污染環境的疑慮,過度開采也可能導致生態風險,循環回收有利環境永續;另一方面,鋰離子電池中的鈷、錳、鎳、銅等金屬也具有經濟價值,透過鋰離子電池循環不僅可以降低對環境的污染、掌握原料來源,還能確保原料供應穩定,因此,鋰離子電池的回收商機同樣不容小覷。

本文引用地址:http://www.danielliew.com/article/202210/438818.htm


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