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12/03/2021

【電動車大戰】次世代電池規格競賽!固態電池美日爭霸,主宰未來電動車市場格局!

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  • 方展策

    方展策

    少年時,曾研習 Geographic Information System,可惜學無所成,僥倖畢業。成年後,誤打誤撞進入傳媒圈子,先後在印刷、電子、網絡媒體打滾,略有小成。中年後,修畢資訊科技碩士,眼界漸擴,決意投身初創企業,窺探不同科技領域。近年,積極鑽研數據分析與數碼策略,又涉足 Location Intelligence 開發項目;有時還會抽空執教鞭,既可向他人分享所學,亦可鞭策自己保持終身學習。

    智城物語

Photo: 圖片由作者提供

  全球各大車廠爭奪電動車市場,無不著眼於改良電池技術。一輛電動車的生產成本,鋰離子電池(Lithium-ion Batteries)已佔去35%左右。如電動車要賣得比燃油車更便宜,便非要壓低電池成本不可;加上鋰電池無論是安全性或續航力均有所不足,因此業界積極尋求替代方案,當中以固態電池(Solid-state Batteries)最被看好。日本車廠豐田汽車(Toyota)早已押注於固態電池技術,美國電池初創企業QuantumScape專注於固態電池研發,力求後來居上。很明顯,固態電池已成為電動車領域的最新戰線。

 

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未來電池固態取代液態

 

  現時電動車所用的鋰電池屬於「液態電池」,內裡要注入膠狀電解質(電解液),才能發揮電池性能。液態電池的弱點是操作環境溫度過高或過低,都會影響電池效能;就算是使用快充模式,至少要30分鐘始可充飽電,而且續航力頂多有300至400公里。另外,電解液也有外漏的潛在危險,易招起火意外,過往曾發生多宗電動車自焚事故。

 

  為解決上述問題,有科學家構想出,以固態電解質來替代電解液,製成「固態電池」。這種固態鋰電池採用鋰、鈉製成的玻璃化合物作傳導物質,不但能夠提升電池的能量密度,讓充電時間可縮短至10分鐘,又能夠在零下25℃低溫至60℃高溫環境正常運作。更重要的是,固態電池不會因隔離層破損,正負極接觸而產生短路爆炸,令起火風險大幅降低。

 

日斥千億助固態電池研發

 

  近年,各國政府陸續推出政策扶助新能源產業,尤以日本政府最為積極。首相菅義偉於2020年12月宣布,為實現2050年達到碳中和的目標,決定創設2兆日圓(約1,400億港元)規模的減碳技術基金,對從事固態電池、氫能技術,或其他減碳科技研發的企業提供援助。於是,當地各大車廠與電池企業紛紛投入固態電池研發,其中以豐田跑在前頭。

 

  早於2008年,豐田已開始跟固態電池初創企業Ilika展開合作。2014年,豐田表示已積極進行固態電池的研究工作,並已獲取多項相關的技術專利。2017年,該公司宣布跟松下(Panasonic)合作,攜手開發固態電池技術。

 

  2019年,豐田又聯合本田(Honda)、日產(Nissan)、松下等,共同成立日本固態電池研發聯盟,集中資源發展固態電池相關材料與技術,希望在2030年可將電動車續航力提高到800公里左右。

 

豐田汽車將會在2021年東京奧運提供具備自動駕駛功能的電動車e-Palette,專責接送運動員和比賽相關人員往返選手村。(圖片來源:Toyota官網)

 

豐田固態電池車2025上路

 

  豐田原擬於2020年東京奧運上展示固態電池原型車,但受到新冠疫情拖累,被迫把計劃推遲到2021年。據悉,豐田固態電池車的續航力達500公里,使用快充只需10分鐘即能充飽電,預計於2025年開始量產。

 

  2021年3月初,豐田宣布將首度發行「ESG(Environmental, Social, Governance)」債券,規模最高達 5,000億日圓(約358億港元),以籌集電動車與智慧城市的研發資金。根據豐田的規劃,2025年全球新車銷售中會有50%以上是電動化車款(包括純電動車、混合動力車),估計銷量達550萬輛。

 

  為配合豐田等車廠動向,日本材料廠亦加快建設生產線,希望趕及在2021年開始生產固態電解質。三井金屬(Mitsui Kinzoku)計劃在埼玉縣興建一座試驗性廠房,試產固態電解質。出光興產(Idemitsu Kosan)亦擬於千葉市的工廠,設置固態電解質的生產設備。

 

豐田表示,成功製造出固態電池的原型產品,已安裝到概念車上進行測試,並計劃在2021年推出固態電池原型車,2025年開始投產,希望成為全球首家量產固態電池車的廠商。(圖片來源:Toyota官網)

豐田宣布,將會發行規模達5,000億日圓的「ESG」債券,籌得的部分資金將用於建設「Woven City」智慧城市,所以此債券將命名為「Woven Planet 債」。(圖片來源:Toyota官網)

 

QuantumScape嶄露頭角

 

  美國各大車企亦看好固態電池的發展潛力,紛紛投資固態電池初創企業如Solid Power、Solid Energy Systems、QuantumScape(QS)等。獲得福士汽車(Volkswagen)3億美元(約23.4億港元)融資的QS,近期最受市場關注。

 

  該公司成立於2010 年,除福士汽車外,也得到微軟創辧人比爾·蓋茨(Bill Gates)的注資,讓公司得以逐漸成長;及後,特斯拉(Tesla)前科技長兼共同創辦人史特羅貝爾(JB Straubel)加入其董事會,並揚言QS可能會顛覆電動車電池市場的遊戲規則,使公司聲勢更盛。

 

  2020年11月,QuantumScape透過與「特殊目的收購公司」(SPAC)合併而上市,掛牌後股價一路上揚,市值一度高達469億美元(約3,655億港元),竟然比福特汽車(Ford Motor)的市值(350億美元,約2,730億港元)還要高。

 

  QuantumScape之所以市值大漲,全因宣稱成功研製出新型固態電池,並於2020年12月發表最新的試驗結果。根據官方資料,其固態電池既可在15分鐘充電至80%電量,又可在經歷800次的充電後保持有80%的儲電能力,還可在零下30℃正常操作。

 

一塊單層QuantumScape固態電池跟卡片幾乎同等大小。(圖片來源:QuantumScape官網)

QuantumScape固態電池是包含陰極材料、可撓式陶瓷隔膜(flexible ceramic separator)。充電時,鋰離子會離開陰極,通過陶瓷隔膜,沉積在隔膜和一個電子接觸面之間,在電池內部形成鋰金屬陽極。(圖片來源:QuantumScape官網)

 

技術獲諾貝爾獎得主肯定

 

  QuantumScape固態電池設計的獨特之處是,沒有加入陽極材料。傳統鋰電池由陽極材料、陰極材料、電解液、隔膜所組成。一般固態電池以固體電解質,取代了電解液與隔膜,作為傳導鋰離子的介質,但仍需保有陽極與陰極材料;QS則把陽極材料也去掉,電池內只有陰極材料與固態陶瓷隔膜,令電池體積得以進一步縮減。因此,QS固態電池跟卡片幾乎同等大小,並能以更低成本提供更多高的儲電效能。

 

  這項研發成果不但受到比爾·蓋茨等投資者的支持,更獲得2019年諾貝爾化學獎得主Stan Whittingham的肯定,認為這是真正的電池技術突破,因而令資本市場對QS信心大振。

 

  然而,QuantumScape從未向外界展示過實際產品。一顆電池單元需要由100塊單層QS固態電池堆疊而成,一輛電動車便要用上數百顆電池單元,惟QS卻沒有提供一顆完整堆疊電池的測試資料。當市場冷靜下來後,愈來愈多人對其電池技術持懷疑態度。這種懷疑亦已反映在公司股價上——從2020年底到現在,股價已跌掉一大半,市值大幅降低至190億美元(約1,482億港元)左右。

 

QuantumScape的電池技術看似不俗,但製作出來的固態電池卻從曾未走出實驗室,目前所披露的測試數據亦只是基於單層電池測試的結果;日後如要進行大規模量產,製成品的實際效能仍有待考證。(圖片來源:QuantumScape官網)

福士汽車與QuantumScape攜手成立了一家合資公司,負責生產QS固態電池,預計在2025年應用於福士電動車上。(圖片來源:Volkswagen官網)

 

固態電池可顛覆特斯拉?

 

  儘管不少業界人士認為,固態電池將會是下一代的主流電池規格,可是特斯拉創辦人兼執行長伊隆·馬斯克(Elon Musk)卻不看好固態電池。在第三季業績發布會上,馬斯克向分析師指出,只是為了減省電池空間,就把傳統陽極拿掉,「並不像聽起來那麼好」。不過,馬斯克對固態電池技術的質疑,可能跟特斯拉本身的電池技術有關,因為Tesla車款使用圓柱形電池,較難改用固態電解質。

 

  觀乎QuantumScape的發展藍圖,該公司未有考慮如何在2026年前獲取任何實質收入,即是採取「放長線,釣大魚」策略——往後幾年只會埋首於產品研發,不急於創造營收,目標是2025至2026年之間開始量產。假如QS真的能夠製造出完整堆疊電池,並進行大規模生產,或許會對特斯拉帶來極大衝擊!

 

  至於豐田,可能才是當今擁有最先進固態電池技術的廠商。目前Toyota已握有逾千項的固態電池專利技術,並計劃在2025年前量產固態電池車,加上有日本政府與當地供應鏈的支援,確可被看高一線。業界普遍認為,固態電池真正普及的時間應是2025至2030年。如果馬斯克察覺到形勢不妙,要改變電池技術策略,還是有足夠時間的。

 

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