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呂錫民 :電動車電池材料的性能和成本

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【大紀元2019年04月11日訊】一般民眾普遍認為,可充電電池在可承受成本下,至少能夠行駛500公里範圍,是電動車能為消費者接受,並實現市場普及與滲透的必要條件。因此,鋰離子電池除了電池價值鏈以及能量密度和成本方面需要進行重大改進之外,其他儲能性能關鍵指標,如使用壽命、安全性、快速充電能力和低溫性能也需要持續加強。

回顧過去,1900年到1912年之間曾是電動車盛行的黃金年代。1912年,美國路上行駛的電動車數量曾經達到30,000輛。這些電動車大多數是由鉛酸電池提供動力。在今天,全球約有13億部車輛幾乎全部使用鉛酸電池進行啟動、照明和點火等動作。經過一個世紀的內燃機霸權,運輸部門脫碳的必要性預計將導致電動車另一個黃金時代的來臨;2016年,僅在美國就售出了160,000輛插電式混合動力車。

鎳氫電池已成為混合動力車的首選。鎳氫電池的標稱電池電壓為1.2伏特,可分別提供高達80瓦時/公斤的比能量和250瓦時/公升的能量密度。然而,庫侖效率(70%)和能源效率(65%)甚至低於鉛酸電池。

如今,插電式混合動力車和電池電動車僅使用鋰離子電池進行動力推進,單一電池高能量含量水平分別達到260瓦時/公斤和700瓦時/公升,同時具有更高的庫侖(99%)和能源效率(高達95%)。鋰離子電池的主要優勢在於可以設計成大範圍內的不同功率與能量比,例如,混合動力車(HEV)、插電式混合動力車(PHEV)、電池式電動車(BEV)的功率:能量比分別為15、8、3。

為了實現大規模市場滲透,美國能源部和先進電池聯盟估計電池式電動車至少需要具備充電一次就能行駛500公里的能力,此乃相當於約235瓦時/公斤和500瓦時/公升的電池組(pack)水平,或者500瓦時/公斤和750瓦時/公升的電池(cell)水平。此外,包裝成本也要低於125美元/千瓦時。此處應該特別指出,關於能源密度和成本,我們還有其他更樂觀的看法,依據相關文獻,最先進汽車鋰離子電池組件的比能量和能量密度已經達到130-140瓦時/公斤和210瓦時/公升的境界。

關於陽極化學方面,碳質材料特別是合成石墨、人造石墨(AG)、天然石墨(NG)以及非晶(硬、軟)碳,皆可以被認為是最先進的陽極材料。在電動車應用上,人造石墨和天然石墨相互比較,前者顯示極高的純度和較低的品質波動。通常,非晶碳和石墨碳混合物被使用,從而最佳化應用上的不同特性。

鋰金屬被認為是最有希望的未來陽極材料,特別是以陶瓷或聚合物為電解質的全固態電池,目前已使用在Bolloré鋰金屬聚合物電池。2016年石墨陽極的市場份額為AG(43%)、NG(46%),僅有7%為非晶碳,這清楚說明了碳基陽極材料的主導地位。相比之下,鈦酸鋰(LTO)和矽基陽極材料分別僅佔2%左右。

自從鋰離子電池商業化以來,陰極已被證明是比容量的瓶頸。用於汽車電池正活性材料的關鍵條件,包括高比容量、大體積容量、相對於Li/Li+的高放電電位、高固有安全性、高緊密度、快速動力學和良好的容量保持。由於具有高技術成熟度,LiMO2型層狀氧化物陰極,在過渡金屬如鎳、鈷和錳(NMC),或者鎳、鈷和鋁(NCA)等配合下,是目前最廣泛的汽車電池正活性(即陰極)材料。

儘管鋰鹵水地理位置上集中在南美和中國,然而全球鋰儲量可能不是那麼重要。在過去幾年鋰價持續上漲,主要原因在於電池市場需求的快速成長,目前電池市場消耗量佔全球產量的40%左右。此處應該指出的是,通常市場引用的「鋰價」是指碳酸鋰。因此,精製純鋰金屬的價格應該更高。鑑於電池市場的進一步成長,增加目前可忽略不計的鋰回收配額應該多加努力,以使電動車更具可持續性。

目前全球鎳儲量在地理上雖較不集中,但足以維持未來陰極材料生產需求。目前,大部分鎳金屬消費都集中在鋼鐵生產,只有一小部分用在電池材料。儘管其經濟重要性很高,但目前預計鎳的供應風險仍然不存在。至於其他與電池相關的過渡金屬(如鐵、鋁和錳)的儲量也不重要,因為這些無毒元素的成本非常低廉。

自從推出以來,使用無機固體電解質的全固態電池(ASSB)就被預期可能造就可充電鋰電池技術領域的首次顛覆性創新。與鋰離子電池相比,鋰金屬陽極,如果可以安全且可逆地利用,是邁向更高能量密度境界的飛躍。同時可以設想到的是,多個雙極全固態電池堆疊可以串聯連接而不需要單獨的電池外殼,如此可以增加體積及重量方面的活性:非活性比,從而增加全固態電池的總能量密度。同時,雙極配置還意味著沒有了單一電池管理控制,因此非常小心的電池容量平衡是必要的。全固態電池的其他願景尚包括高功率能力的改進、熱穩定性的增強、以及循環和日曆壽命的延長。

豐田已經宣布在2022年以前將推出使用硫化物基固體電解質的全固態電池驅動電動車。然而,所有固體電解質都有其科學與技術挑戰,包括對其他電池組件的有限化學穩定性、暴露大氣或濕氣產生性能不穩定、可加工困難性及高界面電阻。此外,對鋰金屬的循環穩定性也必須確保,並特別仔細定製固體/固體界面以獲得合適的性能。

除全固態電池外,鋰-硫電池被認為是一種應用在汽車上的高能量電池選項,主要原因是它在材料水平上具有極高的理論比能量和使用了低成本硫磺,但是這些理論值經常明顯偏離實際值,因為它們沒有考慮到諸如電解質或導電添加劑的非活性電池組件的大重量與體積分數以及活性材料的體積膨脹。

對於汽車應用,能量密度(瓦時/公升)被認為比比能量(瓦時/公斤)更重要。基本上,優化的鋰-硫電池在比能量方面可以勝過先進的鋰離子電池,但能量密度方面則沒有辦法,因此,鋰-硫電池對電動車不具吸引力,但對於需要比能量高的應用(如航空、軍事應用)則前景看好。

此外,由於材料級別的高理論能量密度,鋰空氣電池被認為是鋰離子電池的潛在繼承者。仔細觀察電極或系統水平,包括所需的非活動和輔助組件質量和體積,預計能量密度會有顯著降低。鋰空氣電池目前仍處於早期研發階段。預計未來十年內無法克服許多技術挑戰,這項技術是否會在遙遠的未來應用在電動車之上有待觀察。

近年來,電動車電池組的成本持續下降。例如鋰離子電池組的價格已經降至300美元/千瓦時以下,推估將有進一步下降空間。為了與傳統燃燒發動機驅動車輛進行成本競爭,該電池組成本需要低於120-150美元/千瓦時。透過大型工廠電池生產擴大與自動化,成本節約被部分實現。

大型電池廠需要大量資金投入,使得新玩家進入市場變得非常困難。此外,要達到成熟製造商的成本水平也很難實現。傳統汽車製造商目前不太可能承諾​​自己來生產電池,倒是初創公司、合資企業或汽車零部件供應商比較有可能這樣做。除了規模經濟之外,改變電池類型可進一步節省成本,例如,將圓柱形電池的尺寸從18650擴大到21700格式,將可增加活性:非活性材料體積比。

電動車電池主成本降低的驅動因素與製造和生產的改進有關,例如提高產量和生產率,以及降低每千瓦時的材料成本。此外,生產更多的材料會使單位成本降低。然而,當定製如此低生產成本目標時會有各種風險產生,特別是在鈷、鎳、鋰、銅等原材料成本方面。

2017年10月,銅價上漲至三年以來最高水平。然而,銅價在電池整體價格水平上並不重要,因為電池中只需要少量的銅作為集電器。但是,對電池硬體、電動車布線系統組件、快速充電基礎設施而言,銅可視為戰略材料,這意味著在有限的銅可用量下,回收銅及促進產品的生態設計是必要策略。

許多研究文獻評估鋰離子電池原材料的供應風險,指出在材料儲備和供應可靠性方面風險最高的類別為鈷和鋰。然而,鯉短缺風險並不為該領域的所有專家所認同。

責任編輯:朱穎

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2019-04-11 2:35 AM
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