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電池技術有哪些最新趨勢?

Staffan Lundgren
2024-12-11
技术与创新 电动运输 Alternative fuels
Author
Staffan Lundgren
Director Technology Strategy & Analysis

電池技術近年來的進步,帶動了電動運輸解決方案的迅速發展。 那麼,電池技術領域的下一波重大趨勢與創新是什麼,又將對重型卡車產生哪些影響?
 

電池是電動汽車的核心;每一次性能、成本或可靠性的提升,都會加快邁向電動運輸的轉型速度。 而我們已在相對較短的時間內取得了重大進展。
 

電池技術的發展歷程

第一代商用鋰離子電池於 1991 年問世,但受制於當時的高價格和低容量,使其應用僅侷限於消費性電子產品。 然而,隨著價格急劇下降,電池很快就成為乘用車、繼而成為重型卡車的可行選項。 自 2010 年以來,電池成本已從每千瓦時 $1,400 美元下降到 2023 年的 $140 美元,降幅高達 90%

 

主要突破點在於 1980 年發明的 LCO (鈷酸鋰) 電池,以及使用鋰做為陰極材料的革命性原理。 這使得當時電池的能量密度立即增加了一倍。 此後,不同的電池化學材料持續發展,從電容量、使用壽命、安全性到性能皆有所提升。

 

2001 年,NMC (鎳錳鈷) 電池問世,由於其能量密度大幅提高,加上良好的熱穩定性,因此迅速受到汽車產業的青睞。 但現在,LFP (磷酸鐵鋰) 電池已開始主導整個產業。 雖然能量密度低於 NMC 電池,但這種電池的安全性更高、使用壽命更長、成本更低,環境衝擊也更小。 

未來幾年將有哪些新的電池技術問世?

目前有許多新技術正在開發中: 在提高能量密度方面,人們對固態電池寄予厚望。 這種電池將流體電解質替換為陶瓷或固態聚合物等固態材料,因此能在更小、更輕的電池中儲存更多能量。 對電動卡車來說,這代表更長的行駛里程。 但與流體電解質相比,使用固態電解質會增加電池的電阻電阻率。 因此,這種電池目前仍面臨充電速度以及性能隨時間衰減方面的挑戰。 儘管如此,這項技術在克服鋰離子電池的限制方面深具潛力,因此仍在持續研發中。 例如,Toyota 計劃在 2027 年之前開始商業化生產固態電池電動車

 

尋求成本更低、更永續的解決方案,是推動電池發展的另一項趨勢。 在這方面,鈉離子電池是一個前景看好的選擇。 雖然目前其能量密度僅有鋰離子電池的一半左右,但成本也同時減少了一半左右,因此對能量需求較低的應用而言,這項技術可能是不錯的選擇。 加上鈉是地球上成本最低且最容易取得的材料之一,因此其環境衝擊也遠低於鋰離子電池。

電池是電動汽車的核心;每一次性能、成本或可靠性的提升,都會加快邁向電動運輸的轉型速度。

電動重型卡車將會採用哪些電池技術?

電動卡車的主要挑戰在於降低成本,而開發成本更低的電池將極具助益。 然而,卡車車主的需求也因不同的應用場景而異。 就長途運輸卡車而言,我們的目標是讓電動卡車具備與柴油卡車相同的作業彈性。 不久之後,電動卡車的續航里程將能達到 600 公里。但若需要行駛更遠距離,往往需要在中途停下來充電: 而這可能需要耗費數小時之久。

 

我認為業界將逐步形成一些產品區隔,亦即根據不同的運輸任務採用不同的電池技術。 我們或許會看到,鈉離子電池日益廣泛地應用於能量需求相對較低的短途任務,例如城市配送。 而固態電池未來則有望應用於電動長途運輸卡車 - 前提是這項技術未來能有重大突破。 

 

無論如何,這些技術的密集研發工作都將持續進行。 全球許多參與者 - 包括科技公司、工業製造商和公共機構 - 皆已投入大量資源,致力於開發和改進電池技術。 我們或許無法看到「量子躍進式」的發現 - 例如第一顆鈷酸鋰電池問世;但隨著時間推移,我們仍將持續見證電池技術的發展與進步。

 

如要進一步了解電動卡車電池,不妨閱讀關於電動卡車電池的 7 個常見迷思 (7 common myths about electric truck batteries)。 如要進一步了解如何重複使用舊電池以降低環境衝擊,不妨閱讀卡車電池的回收再利用方法 (Giving truck batteries a second life)

鋰離子電池簡史

  • 1970 年代: 英國化學家 Stanley Whittingham 發現可使用鋰金屬做為正極材料,製造出可充電的鋰電池。 然而,鋰金屬的反應性可能會導致短路和火災。

  • 1980 年代: 英國化學家 John Goodenough 發現可使用鈷酸鋰做為陰極材料,製造出更安全穩定、且能量密度顯著提高的電池。 日本化學家 Akira Yoshino 以 Goodenough 的研究為基礎,開發出第一款實用的鋰離子電池。

  • 1990 年代: Sony在 1990 年代初根據 Akira Yoshino 的設計,推出全球首款商用鋰離子電池。 這徹底改變了個人電子產品的發展,例如手機和筆記型電腦。 1996 年,通用汽車 (General Motors) 推出第一款商用電動乘用車: EV1。 同年,磷酸鐵鋰 (LFP) 電池開發完成,可提供更長的使用壽命、更高的安全性以及更高的成本效益。

  • 2000 年代: 越來越多企業投入鋰離子電池的生產,特別是在日本、 韓國和中國。 2021 年,鋰鎳錳鈷氧化物 (NMC) 電池開發完成,其能量密度足以為電動車提供動力。

  • 2010 年代: 年代: 越來越多的汽車製造商開始推出全電動車型。 個人無人機市場的蓬勃發展也增加了對鋰離子電池的需求。

  • 2020 年代: 鋰離子電池日益廣泛地應用於較重型的車輛,包括卡車、巴士和建築設備。 值此同時,儲能系統市場也持續成長。 此外,越來越多的歐洲企業也開始投資生產電池。

近數十年來,各種電池化學材料經歷了多次發展與演進,而每種化學材料都有其獨特的優缺點。 適合任一特定車輛類型的最佳電池,取決於其需求與作業條件。 目前主要使用的六種電池化學材料如下:

 

鈷酸鋰 (LCO)

一項源自於英國化學家 John B. Goodenough 的突破性發現,並為日後的鋰離子電池發展奠定了基礎。 然而,由於使用壽命相對較短,加上熱穩定性較低,因此應用範圍僅侷限於個人電子產品。 此外,它的高鈷含量也導致了成本以及對環境的影響增加。

電容量: 150-200 Wh/kg

週期壽命: 500-1000 次週期

熱失控溫度 (電池芯達到無法控制的自我加熱狀態,並因此產生安全風險的溫度): 150℃

 

磷酸鐵鋰 (LFP)

LFP 電池於 1996 年開發完成,相較於 LCO 電池具有更高的安全性和熱穩定性,以及更長的生命週期。 此外,由於這種電池不含鈷,因此生產成本更低,也更加環保。 雖然其電容量相對於其他化學材料較低,但在電動車領域的使用率正在逐漸增加。

電容量: 90-120 Wh/kg

週期壽命: +2000

熱失控溫度: 270℃

 

錳酸鋰 (LMO)

LMO 電池於 1996 年首次投入商業化應用,具有良好的熱穩定性和安全性,且與鈷基化學材料相比,生產成本更低,對環境的影響也更小。 這種電池擁有高放電速率,但能量密度相對較低,生命週期也較短, 因此適合用於電動汽車、混合動力車及電動自行車。

電容量: 100-150 Wh/kg

週期壽命: 300-700

熱失控溫度: 250°C

 

鋰鎳錳鈷氧化物 (NMC)

NMC 電池於 2001 年開發完成,在能量密度與安全性之間取得了良好平衡,因而成為當今電動車產業最常使用的電池。 高能量密度意味著續航里程更長,也使得這種電池成為重型卡車的最佳選擇。 然而,由於其生產成本高昂,加上對環境的影響較大,越來越多汽車製造商開始轉而採用能量密度較低、但成本也較低的 LFP 電池。

電容量: 150-220 Wh/kg

週期壽命: 1000-2000

熱失控溫度: 210℃

 

鋰鎳鈷鋁氧化物 (NCA)

NCA 電池擁有高能量密度、長週期壽命,以及優異的快速充電能力。 不過,這種電池的熱失控風險較高,特別是在高溫或過度充電時。 雖然部分高性能電動車採用這種電池,但由於安全性問題,其應用範圍受到限制。

電容量: 200-260 Wh/kg

週期壽命: 500

熱失控溫度: 150℃

 

鈦酸鋰 (LTO)

LTO 電池是市面上最安全的鋰離子化學電池之一,擁有出色的熱穩定性。 這種電池擁有快速充電能力,以及更長的生命週期。 這也使得這種電池特別適合需要經常短時間充電的電動車使用,例如公共運輸車輛。 然而,這種電池的電容量較低,且生產成本高昂。

電容量: 50-80 Wh/kg

週期壽命: 3000-7000

熱失控溫度: 280℃
 

資料來源: Battery UniversityElementsDragonflyFlash Battery