稱霸世界近30年的「液態鋰電池」遭遇強力競爭者，未來有望成為電動車標配嗎？
2022/04/27
如果前些年有人跟你說，有一種電池比鋰電池更厲害，能量密度更高、壽命更長、充放電速度更快，而且成本更低，那麼他一定是在騙你。
然而，正由於科技進步到哪，我們就進化到哪，我今天可以放心地用綠學院常說的「演化思維」跟你宣布，經過十多年的研發，終於有一種電池接近上述的各項驚人特質，而且近幾年陸續開始小批量試生產，預計在未來十年內可以量產，挑戰稱霸世界近三十年的液態鋰電池（Lithium Ion Secondary Battery），這顆閃亮的星星就是固態電池！
我們之前文章〈如何判斷電池技術大突破是世紀大騙局還是真革命？〉為你分析六個判斷電池技術潛能的基本邏輯：
- 高能量密度：能量密度指的是在一個固定的體積下，可以釋放多少能量，你可以理解成你拿著兩個同樣大小的寶特瓶，一個寶特瓶裝汽水，另一個寶特瓶裝汽油，後者的能量密度自然是高於前者。業界除了體積之外，重量也是另一個衡量的標準
- 壽命長：充放電次數多，電池與車同壽，同時也減少廢棄物
- 充放電速度快：一來透過較快速的放電提供足夠力量推動你的車子；二來急用時能較快速的速度補充電能
- 耐熱耐寒：最好能適應極端氣候，否則在冰天雪地裡電池掛了，車子就不能開了
- 安全性高：通常指的是不容易爆炸，這你可能覺得是天經地義，但要知道安全則代表材料必須穩定，而穩定通常意味著能量密度低，這兩者之間有矛盾，必須取得平衡
- 達到可商業化的成本：研發階段成本一定很貴，但落地到可商業化的規模，就要評估這個材料降價的潛能
要找到能符合以上所有條件的電池，就像找到超完美嬌妻一樣，目前人類能找到最接近的，沒意外，就是鋰電池。因此，磷酸鐵鋰和鋰三元電池以秋風掃落葉之勢，攻佔幾乎所有的儲能電池及動力電池市場，在動力電池方面，鋰電池是目前全球各大汽車集團偏愛的主流電池配方。
鋰電池是目前全球各大汽車集團偏愛的主流電池配方
但層出不窮的電動車火燒車事件卻讓大家很頭疼。
磷酸鐵鋰和鋰三元電池的運作邏輯都是讓鋰離子像游泳選手一樣，在電解液中游泳，前者壽命長、安全性高、成本低廉，但能量密度低；後者能量密度高能支援快充，但壽命短、安全性不高。
以特斯拉為例，雖然使用最頂尖的Panasonic電池技術，能量密度也即將接近現有液態鋰電池技術的極限，但層出不窮的火燒車事件，一個官司就可能讓車廠傾家蕩產。
Photo Credit: Reuters / 達志影像
車廠要對其設計負責，因此他們其實很頭疼。儲能系統比較常用磷酸鐵鋰電池，因此純電池發生火災的事件較少，但韓國過去兩年有超過三十起儲能系統火災，新聞討論多關注鋰電池安全性。不管是不是真的是電池造成火災，這些層出不窮的事件都直指一個問題，就是我們必須想辦法讓鋰電池更安全。
固態電池解決了當前困擾鋰電池
尤其是動力電池產業的兩大根本痛點：安全問題和能量密度。
於是，這就給了固態電池一個機遇。其實固態電池也是鋰電池家族成員之一，只是一般鋰電池電解液是液態，而固態電池使用的電解液則是固態，因此命名與液態電池區隔出來。
固態電池看似只是換了一種電解液的形態就如此被重視，就是因為其在理論上解決了當前困擾鋰電池，尤其是動力電池產業的兩大根本痛點，即安全問題和能量密度。
固態電池改用固態電解質，因此可以避免漏液的問題，且因固態電解質具有較強的阻隔正負極效果，較不易生成鋰枝晶而造成短路，安全性自然較高。能量密度的部份，由於固態電池的安全性，故正負極可以選用能量密度更高的材料，例如負極採用鋰金屬或是正極採用NCMA混合物等，使其能量密度有機會超過鋰三元電池。
不過我們也可以想像到它的侷限，因為鋰離子就像游泳選手一樣，不斷在正、負極間來回游動，當鋰離子必須在固態介質內游動時，速度一定會比較慢，所以一般固態電池較不適合用來快速充放電，這就是它必須突破的挑戰。
三種固態電池技術路線
根據固態電解質材料的不同，目前產業界將固態電池分成聚合物、硫化物和氧化物三大技術路線，其中聚合物屬於有機高分子電解質，硫化物與氧化物屬於無機陶瓷電解質。
- 技術路線一：聚合物
聚合物電解質主要由聚合物基體與鋰鹽構成，當你讓它處於高溫狀態時，鋰離子游得比較快，所以把配方和溫度調一調，就可以得到高能量密度，因此成為最先實現產業化的技術方向。但這種電池的最大缺點是它得保持在加熱狀態才能保有較佳的效能，現在碳中和的壓力這麼迫切，除非都用綠能加熱，否則這條技術路線離商業化仍有一定距離。
- 技術路線二：硫化物
無機陶瓷電解質包含硫化物與氧化物，其中硫化物的活性較高，不需額外進行加熱，但缺點是電解質和正負電極之間的界面電阻較高，鋰離子游動的速度會比較慢，充放電速度較差。
除此之外，硫化物還有兩大缺點，硫化物固態電池接觸空氣容易產生有毒性的硫化氫，如何維持安全穩定性及避免與空氣進行化學反應是一大要點；加上硫的高活性，生產設備及生產環境的特殊需求將造成高昂成本，這都對未來的量產帶來隱憂。
- 技術路線三：氧化物
氧化物電解質最大的優點是安全，因此在三大技術路線中，它的安全性最高，但研發難度也最高。氧化物固態電池一旦破裂毀損後，不會產生硫化氫，但因活性不如硫化物，因此鋰離子游動的速度更慢，充放電速度相較於聚合物及硫化物較差。
