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锂离子电池竞争对手来势汹汹

2022/10/9 8:25:04


全球绿能运动如火如荼展开,与绿电相关的锂离子电池重要性不言可喻。锂离子电池多年来主要应用于电子产业,如电动车、油电混合车、电动摩托车、电动自行车、中大型 UPS、太阳能、大型储能电池、电动手工具、航天设备与飞航用电池等,鲜少应用于大规模储能和动力电池市场。不论是再生能源电网或电动车领域,关键技术当属储能系统。全球储能技术可分机械式储能(如抽蓄水力发电)、电化学储能(锂离子电池)及化学储能(燃料电池)等三大类,其中,锂离子电池占比逾80%,仍为主流技术。市场预估,2021年全球锂离子电池需求量为303GWh,包含电动车及定置储能系统在内,2030年将超越1,200GWh,增至4倍以上。

电动车跳跃成长带动锂离子电池需求

日本矢野经济研究所(Yano Research Institute)报告指出,xEV(电动车EV、插电式油电混合动力车PHV、油电混合动力车HV)市场成长将扩大车用锂离子电池需求,2022年全球车用锂离子电池市场规模预估达443GWh,其中,EV用锂离子电池市场规模预估年增18.9%,市场占比达89.7%,PHV用市场年增26.8%,HV用市场年增3.1%;预估2025年市场规模将突破800GWh,其中,EV用市场规模预估达726.9GWh,占整体规模的89.9%;预估2030年全球车用锂离子电池市场规模将突破1,000GWh,其中,EV用市场规模占比近90%。

不只如此,日本市调机构富士经济(Fuji Keizai)预估,包含乘用车及新车在内,2035年全球EV/PHV/HV市场规模将扩大至4,919万台,与2020年相较,暴增约740%,全球EV销量可望增加10倍之多。电动车市场的跳耀式成长,带动旺盛的锂离子电池需求动能!

工研院材料与化工研究所储能材料及技术研究组组长陈金铭指出,下世代电池需求以定置式储能及移动式储能为主,前者如家用、商用及电网储能系统;后者如电动车,商机最大。国际能源总署(IEA)表示,预计2022年电动车销量将再创新高,占全球轻型汽车总销量的13%。车用锂离子电池组到2030年每度电成本将降到约70美元,与燃油车相近,因此,随着锂离子电池技术的快速革新与成本下降,未来在全球运输电气化的过程中,移动式储能与锂离子电池都具有关键地位。

消费性电子产品搭载率逾九成

锂离子电池(Lithium-ion Battery)为可重复充电电池,主要靠锂离子在正极和负极之间移动运作,特色是电容量高、体积小、重量轻,一般由正极材料、负极材料、电解液、隔离膜、罐体等组成,其中,正极材料与负极材料对于提高锂离子电池的电容量密度和低价化的影响最为关键。


不同锂离子电池主要使用的正极材料不同,常用材料为锂钴氧化物(LiCoO2)、锂镍氧化物(LiNiO2)及锂锰氧化物(LiMn2O4),最常见的是锂钴氧化物(LiCoO2),各有优缺点;负极材料种类较多,如锂离子嵌入石墨(Li/Graphite)、锂离子嵌入气相成长碳纤维(Li/VGCF)、锂离子嵌入类碳聚合物(Li/Polymer Precursor)、锂离子嵌入掺杂碳(Li/Doped Carbon)等,最常见的材料是石墨(碳)。


锂离子电池的能量密度约为镍氢电池的2倍、铅酸电池的2.5倍,即使不使用,自放电率也相当低,因此被大量应用在3C或消费性电子产品,加上锂离子电池具有不可取代的优势,市占率高于镍氢电池与铅酸电池。


不过,多数人知道3C或电子消费产品使用的是「锂电池」,却不清楚「锂电池」可细分为锂离子电池(Lithium Ion Battery)与锂原电池(Lithium Polymer Battery),前者可多次重复充电,后者只能一次性使用,不可充电。因为锂离子电池被广泛使用,市面上多将其简称为「锂电池」。锂电池1991年问世后便迅速取代镍镉电池(Nickel Cadmium Battery)及镍氢电池(Nickel Metal Hydride Battery),笔电、手机等产品搭载率已逾九成。


苹果(Apple)手机也是使用锂离子电池快速充电,让蓄电量快速达80%,再转成涓流方式充电。苹果官网上对使用锂离子电池的解释是:快速充电更加方便,缓慢充电寿命更长,而且充电更轻松;再次充电前不须100%放电。


Apple锂离子电池以充电循环方式运作,以正常使用或放电方式消耗相当于100%的电池蓄电量就完成一次充电循环,但不一定所有的蓄电量都来自于同一次充电。完成一次循环可能需要好几天。使用锂离子电池进行完整的充电循环,蓄电量只会略为减少,而Apple锂离子电池即使多次充电循环后,仍能尽量保有80%的原蓄电量。


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图一 : 苹果(Apple)手机使用锂离子电池快速充电。(Source:Apple官网)


锂离子电池的挑战及限制

虽然锂离子电池应用多元,商机庞大,却也存在着挑战与限制。与传统的电池技术相比,锂离子电池的充电速度更快、电池电容量高、温度范围大、轻薄短小而且寿命长,还可以重复多次充放电,仍有缺点,如蓄电力会随着电池出厂时间拉长而减少,一般约2-3年间,电池的最大蓄电力会明显下降。

此外,3C等产品使用过程中产生的高温也会加速电池蓄电力降低,因此,不少锂离子电池内建控制芯片避免过热,或者透过电池组监控电池的个别电压,一旦超出安全范围便会自动断电,有些电池也会设计排气孔排出高温气体,以免爆炸。

除了充放电次数增加使得电池寿命递减,锂离子电池的电解液为液态有机溶剂,遇火易燃,也有潜在的安全疑虑。此外,锂离子电池的能量密度并非无上限,想进一步提升必须使用锂金属取代石墨做为负极,但是锂金属在液态电解液进行电池充放过程中会产生锂枝晶(Lithium Dendrite),穿过隔离膜触及正极容易导致电池短路,甚至有爆炸的危险。因此,虽然未来商机可期,传统锂离子电池仍有需克服的挑战。

来势汹汹的新竞争对手:固态电池


工研院材料与化工研究所组长陈金铭指出,锂离子电池的能量密度逼近物理极限的300Wh/kg,因此,业界正积极研发能量密度达500Wh/kg的固态电池。前面提到,传统锂离子电池的电解液能快速传导锂离子,提供大电流,40度以上高温便有安全及寿命锐减的疑虑,因此,电动车大厂如特斯拉(Tesla)会针对Model S车款设计严格的温控系统,就是为了确保电池使用的安全性。


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图二 : Tesla Model S车款设计严格的温控系统,以确保电池安全性。(Source:Tesla)


固态电池是以固态电解质取代液态电解液,可以增加高能量电池的安全性,能量密度达450-500Wh/kg,是传统锂离子电池能量密度180(锂铁电池)-250Wh/kg(锂三元电池)的2倍,优点是安全性高、不漏液,由于固态电解质可抑制材料反应,不易燃烧,可延长电池寿命,而且相同电容量的固态电池重量仅为锂离子电池的一半。


想要解决锂离子电池的能量极限及安全问题,以固态电解质取代传统锂离子电池的液态电解液是良策。以苹果(Apple)来说,早在2012年就已布局全固态电池专利,将其应用于笔电、平板及穿戴式装置。


全球车厂如福斯(Volkswagen)也和QuantumScape共同开发锂金属固态电池,QuantumScape指出,固态电池技术与锂离子电池相比,可以延长电动车80%的续航里程,也被认为是更安全、更便宜的锂离子电池替代品。QuantumScape的关键创新技术在于柔性陶瓷材料制成的隔板,可以阻绝短路结构,而且不会着火,这类固态电池能像锂离子电池一样应用于各种产品,还具有进化优势。


日本丰田(TOYOTA)汽车2020年已推出全固态电池搭载纯电概念车LQ,未来将导入油电混合车及豪华车款Lexus。宝马(BMW)汽车与储能新创公司Solid Power合作开发的锂金属固态电池预计在2025年推出原型,2030年推出量产车款。


Solid Power指出,固态电池比目前电动车使用的锂离子电池多出50%的能量密度,由于内部无可燃配件,安全性相对较佳,缺点是造价比锂离子电池高,扩大生产规模以满足产业需求仍有一段路要走。


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图三 : 丰田(TOYOTA)汽车2020年推出全固态电池搭载纯电概念车LQ。(Source:TOYOTA)


目前锂离子电池汽车多数掌握在特斯拉(Tesla)之手,消息指出,特斯拉考虑在德州墨西哥湾沿岸建立锂精炼厂,以确保电动车电池关键零组件得以供应稳定,提升电动车产量。如果申请批准,2024年底前可能商业化量产。


由于电池成本占整部汽车约40%,传统汽车大厂若想与特斯拉竞争,势必要另辟蹊径,比方固态电池新型态能源车,但如此一来,又会产生建构全新汽车系统、新零件及新充电站等巨额投资等问题,也将掀起另一波电池竞赛。


台湾工研院为协助台厂争取固态电池商机,成功开发以「网状聚酰胺环氧树脂」(NAEPE)为电解液的「高能量及高安全树脂固态电池」,离子导电度及电压稳定性相对优异,可增加高能量电池寿命及安全性,此项技术可应用于电动机车,电池芯能量密度达320Wh/kg,较市场主流21700锂离子电池的260Wh/kg性能更优异、更安全,行驶里程及营运成本改善逾30%。


锂金属固态电池是下世代高能量密度电池中的重要技术,以锂取代石墨做为负极材料,可以提升能量密度,工研院已开发出350-400Wh/kg的锂金属固态电池,也发展出抑止锂枝晶的三重保护层技术以提升安全性,并已完成专利布局。台湾产业若能成功整合软硬件生态系,加速电动车跨域布局,在固态电池技术2030年商业化之前,仍有机会在电力电子新时代取得关键地位。


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图四 : 工研院开发的「高能量及高安全树脂固态电池」具有难燃性、高温循环寿命佳等特点。(Source:工研院)


循环经济外一章:废弃锂离子电池回收

锂离子电池与固态电池的竞合关系如何有待观察,不过,换个角度观察,由于绿能与电动车趋势不可逆,受惠于市场需求大增,全球锂离子电池需求快速成长之际,预估未来5-10年,将有大量的锂离子电池届临汰役,废弃锂离子电池如何回收再利用,建立循环经济,是另一个值得观察的重点。

研究机构MarketsandMarkets预估,全球锂离子电池回收市场规模在2030年将增加至107亿美元,年增率约19.4%。锂离子电池的毒性虽然小于铅酸电池,仍有污染环境的疑虑,过度开采也可能导致生态风险,循环回收有利环境永续;另一方面,锂离子电池中的钴、锰、镍、铜等金属也具有经济价值,透过锂离子电池循环不仅可以降低对环境的污染、掌握原料来源,还能确保原料供应稳定,因此,锂离子电池的回收商机同样不容小觑。