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撼動特斯拉龍頭地位的關鍵變數!固態電池崛起 電動車掀新能源戰爭

2021-04-26
作者: 英國《金融時報》精選

▲馬斯克指鎳的供應將影響電動車發展,市場亟需下一代能源。(圖/達志)

特斯拉執行長馬斯克曾說:「電動車未來的關鍵在電池。」然而,在電池科技推動下,一代代智慧手機、平板電腦與電動車上市,但30多年來鋰離子電池背後的科學卻基本沒變。

鋰電池製程 汙染大風險高

鋰電池的原料,特別是石墨、鈷和高純度的鎳,在開採和提煉過程中會帶來嚴重的汙染,增加二氧化碳排放,已是這項產業的骯髒祕密;而鋰電池易起火和爆炸,則是另一個安全問題。

鋰電池既有這些缺點,就不難理解當前市場對固態電池的樂觀之情。這種有望解決環境與安全問題的下一代電源,薄層固態電解質能夠取代鋰電池中的易燃溶液,儲存能量更加密集,而電池原材料用量以及起火風險都可減少。

電池組追求更短充電時間、更長行駛里程,而不增加成本和起火風險,此刻已達技術上限。如何解套是電動車革命起飛的關鍵,而固態電池提供了可能的答案─特斯拉的市場龍頭地位也有可能因此不保。

兩種趨勢促使電池技術變革迫在眉睫:歐洲和中國加速發展電動車;全球工業金屬需求激增。汽車氣體排放規定日趨嚴格,去年電動車在歐洲的銷量倍增,英德等國均承諾從2030年起禁用汽油和柴油車;在中國,去年電動汽車的銷量創下130萬輛的高紀錄。在許多政府眼中,綠色科技正被視為刺激經濟成長的新良方。

▲鋰電池有容易起火的風險,不少汽車業者已轉向尋求替代能源。(圖/取自netcarshow網站)

這種樂觀預期,部分是電池生產成本下降帶來的。基準礦產情報公司的數據顯示,過去10年,電動車中最昂貴的鋰電池組,價格已下跌近90%,降到每千瓦時110美元左右。平均而言,電動車價格仍比傳統汽油車高出30%,但差距正在縮小。瑞銀分析師表示,再過3年兩者的價格就會趨於一致,屆時電動車需求會進一步擴大,而這也意味著電池的需求將大增。

然而,電池技術的限制將造成電動車普及的瓶頸。電動車電池不僅昂貴、易揮發,也很笨重。電動車比起汽油車重得多,需要更多的動力才能跑同樣的里程;加上平均充電時間約50分鐘、充電基礎設施不足,在在有改進的餘地。價格是另一個因素,約12000美元的電池組成本,讓每輛電動車價格居高不下─特斯拉三型陽春車起價3萬7990美元、現代Ioniq 3萬325美元起跳。

美國布朗大學工程學教授謝爾頓(Brian Sheldon)曾經指出:「快速充電與液體電解質搭配效率差,高溫會損壞電池,增加起火風險;而固態電池可以解決這一風險。」

在傳統電池配方裡,鎳、鈷和錳的含量相等,新近的生產技術則將鎳的含量比例提高。這有助於減少鈷(成本是鎳的兩倍)的用量,增加行駛里程,從而降低了生產成本。然而,這種新配方也使電池更易揮發;最早使用這種電池的中國,自去年5月以來有3輛這類電動車著火。

鈷鎳需求大 面臨枯竭危機

另一個問題是,隨著電池成為眾多技術的關鍵,對原材料的需求也跟著上升。過去的1年裡鎳、石墨、鋰、鈷及銅價均漲。平均來說,電動客車電池需要約20公斤的鎳(特斯拉三型需要30公斤)、陰極需鈷20公斤外加約60公斤鋰化合物。

馬斯克已指明,鎳的供應將是未來發展電動車的一大顧慮。美國投資銀行的傑富瑞表示,特斯拉計畫在2030年產儲3兆瓦時的電池,從目前生產水準來看,屆時全球大部分的鎳產量將為之枯竭。鋰的蘊藏雖然豐富,但供應也有限,開闢新礦可能費時10年。分析師預計,今年年底鋰就會出現供應短缺。鈷的供應也是如此,瑞銀預計未來10年都供不應求。

反觀,固態電池則更安全、更便宜、性能更好、所需原料較少、更輕,10分鐘內電可滿載;更具高能量密度,可應付雙倍以上里程;銅、鋁需求更少;完全不需石墨與鈷;回收固態電池過程也更簡單安全;固態電池也可以堆疊起來,更容易適應不同的汽車設計。福斯汽車電池中心主管布洛姆(Frank Blam)說,固態電池是鋰電池的「終局博弈」。

總部位於首爾的風險投資公司Hana Ventures執行長金東煥表示:「從汽車到冰箱,下一代科技的原材料用量都將大幅減少,固態電池也是如此。」固態電池的原型顯示,它比同量的傳統鋰電池儲能多出80%。鋰金屬具有更高的能量密度,可以取代石墨,有助於減少電池重量和體積。對於那些希望提高鋰電池性能的人來說,在移動車輛上安裝重量超過500公斤的電池是一項大挑戰。

固態電池 成本高尚難量產

特斯拉揚言要在未來3年內大規模生產與提高傳統鋰電池能量密度50%,以提高行駛範圍,但一些分析師對此表示質疑。謝爾頓說:「從今天的能力上限提高50%⋯,意味著電池的尺寸比現在大得多,因為陰極需要使用更多的材料,裝到汽車裡是一項重大挑戰。」

過去20年來,傳統電池的能量密度每年上升約4%,如今達到每升約700瓦時,相當於一輛客車約500公里的行駛範圍。固態電池則能將電池的能量密度推升到1000瓦時以上,相當於800公里的行駛里程;同時,還擁有更長的壽命、更多的充電週期、更多的能量,可能跑上100萬英里。

不過,固態電池的製造目前還面臨不少困難。雖然已開發出固態電池的原型,但每輛電動車至少需要20倍於實驗室測試的電池數量;同時,目前每顆固態電池的製造成本還高達10萬美元,而工廠量產也有困難。

大規模生產還需要幾年的時間,但已愈來愈近。謝爾頓說:「現在最大的不同是,固態電池技術已獲得明顯進步,阻礙商業化的問題已經找出,光是這點就值得我們樂觀了。」

最受關注的固態電池製造商是QuantumScape,它的目標是在2024年實現商業生產。此外,總部位於美國科羅拉多州的Solid Power,則已小批量產22層固態電池,該公司計畫在1年內生產更大的電池,2025年將可裝置在汽車上。

但對於尋找超越特斯拉的投資者來說,這些缺乏從零開始製造關鍵組件能力的初創公司,可能並不是最好的選擇。量產必須使用現有機械和材料,因此目前主導傳統電池、汽車和機械產業的公司地位更為有利。

基於這些原因,一些亞洲企業看來更有條件在固態電池的競賽中勝出。豐田今年將推出一款原型車,車行500公里只需充電10分鐘;Lexus LF-30概念車配有小型固態電池,目前已擁有1000項與固態電池技術有關的專利。

三星的方案則提供800公里的單次充電里程,電池只有傳統電池一半。三星首席研究員伊東民(音譯)表示:「這項技術是提高電動車里程革命的基礎。」其1000次充電生命週期,遠勝現有60次快速充電後就顯示出容量損失的電池。

豐田和三星 掌握技術優勢

對於這些公司及其投資者來說,固態電池是一次有利可圖的賭注。三星即將推出第5代電動車鋰電池,已簽署多項合約,包括與寶馬汽車簽訂的一項價值35億美元的合約,為提供未來10年的電池需要。

這些發展都威脅到特斯拉。固態電池的未來,將衝擊特斯拉在電動車市場的主宰權。如果未來電動車能解決快速充電問題,特斯拉在全球各地建立的超級充電網路,就沒有太多競爭優勢。

根據歐洲專利局2005年以來的統計數據,全球電池和儲電設備新專利申請數量的增加速度,是其他技術領域平均的4倍。其中,與固態電池相關的專利更是增加最快的,這顯示固態電池市場化的進程會比預期要快。

金東煥說:「固態電池多久能大規模生產,是投資多少的一個函數;包括晶片製造上的限制,都會因資金的增加而克服。而近期電動車市場規模的快速成長,正意味著將有更多的資金把固態電池快速推向市場。」

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