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開發全固態電池不使用稀有金屬 成為電動車及3C新選項

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科技產業資訊室 (iKnow) - May 發表於 2022年3月2日
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圖、全球電動車正極化學材料電池市場 (2020及2028)
LNMO = 鋰鎳錳氧化物  LFP = 鋰鐵磷酸鹽  NMC = 鋰鎳錳鈷氧化物
NCA = 鋰鈷鋁氧化物   NMCA = 鋰鎳錳鈷鋁氧化物
 
根據LMC-Auto市場預估,全球電動車正極化學材料電池市場到2028年將達1.24Twn(太瓦時),其中鋰鎳錳鈷(NMC)將居最大比率,而鋰鎳錳(LNMO;或稱高電壓尖晶石正極材料​)、鋰鎳錳鈷鋁(NMCA) 及磷酸鐵(LFP)也將崛起,反而鋰鈷鋁(NCA)將明顯市場比率縮小。

當全球面臨稀有金屬嚴重短缺,鋰離子電池面臨鋰資源供應不穩定的擔憂以及可燃性等安全風險。因此,不使用稀有金屬的全固態電池成為新選項,可以解決與傳統鋰離子電池相關的問題。目前,鋰離子電池中有三個主要材料技術組合,包含:鎳錳鈷(NMC)、鎳鈷鋁(NCA)和鎳鈷鎂,其中鈷為稀有金屬、價格高昂,是壓低EV 電池價格的主要障礙,而這些金屬原料且開採將破壞周邊環境。另外新興組合是磷酸鐵(LFP)或鎳錳鋰 (LNMO),但這也成為下一個過渡到無貴金屬的全固態電池。所以,未來電池將是電池原材料路線之爭,既要降低電動車的成本,並提高續航力、安全性與效能,更要兼顧環保議題及來源供應無虞。

我國工研院技轉高電壓鋰鎳錳正極材料(LNM)

據知我國工研院已開發出高電壓鋰鎳錳正極材料(LNM)技術,可技轉給企業應用於3C及電動車用鋰電池。

鴻海電池黑科技
「無貴金屬全新製程」

鴻海曾於2020年<鴻海科技日>首次對外揭露其六大動力電池黑科技:「電池快充與低溫優化」、「低鼓脹軟包技術」、「雲端AI電池管理系統」、「高能量密度電池」、「無貴金屬全新製程」以及「固態電池研發」等。鴻海也宣示,將在2024年時,推出首款商業化固態電池,不但將減輕目前液態電池的重量與成本,更能解決液態電池的隱患問題。由於,蘋果汽車計畫2024年推出採用磷酸鐵鋰電池,因此推測鴻海可能以「無貴金屬全新製程」電池搶單蘋果汽車,當然松下及寧德時代也有機會。

寧德時代生產磷酸鋰鐵電池(LFP)

傳特斯拉向寧德時代預訂45GWh 磷酸鐵鋰電池(可裝上80萬輛電動車),為2022年的電動車銷售計畫做準備,這批電池主要用於 Model 3 和 Model Y 車型。
 
松下(Panasonic)正開發無鈷電池

松下(Panasonic)正開發不含鈷的純電動車鋰離子電池,計劃於未來幾年內將鈷使用比率從目前的低於5%降至零。

日本電氣硝子使用以鈉、鐵、磷為材料的玻璃粉末

日本電氣硝子開發利用玻璃陶瓷陰極的全固態鈉 (Na) 離子二次電池,並於 2017 年作為氧化物基全固態電池在世界上首次成功地在室溫下運行。2020年,證明了這種電池可以通過大大降低電池內部的電阻來達到實用級的性能。關於該研究成果的論文刊登在《科學報告 - Nature》網頁。之後,日本電氣硝子2021年11月底於日本電池技術學會「電池討論會」發佈全固態鈉離子電池技術最新進展。
 
其實,日本電氣硝子開發出了不使用稀有金屬的全固態電池,而是使用以鈉、鐵、磷為材料的玻璃粉末作為電極,採用正負極夾住氧化物類固態電解質的結構。該公司最近還開發出了在玻璃粉末中混入碳材料「硬碳」的負極,電壓為3伏特,與鋰離子電池基本處於同等水平,可以為智慧手機等電子設備充電。
 
該電池在從攝氏100度高溫到0度低溫的不同環境下均可使用。不需要用來進行充放電管理的電路和冷卻裝置,具備能在相同的空間裡增加電池安裝量的優點。全固態電池存在的課題是,電解質和電極之間容易産生縫隙,導致電阻增大。日本電氣硝子利用玻璃加熱後會變軟的性質,實現電極和固態電解質的一體化。
 
新電池機制是依靠鈉離子在電極之間移動來實現充放電,還將電解液換成不可燃的固態電解質,提高了安全性。在純電動汽車(EV)需求有望擴大的情況下,全固態電池被視為新一代電池的新選項,同時可減少全球使用稀有金屬的機會。
 
豐田研究不使用稀有金屬的全固態電池

豐田也在研究不使用稀有金屬的全固態電池,試製負極使用硬碳的全固態鈉離子電池。這種電池的主流負極材料是金屬鈉或者鈉錫合金,但存在一些課題,在反覆充放電的過程,會因為電極表面發生晶體呈柱狀生長的現象而起火,或者因為膨脹和收縮,電極與電解質之間的縫隙擴大,導致電池劣化。但硬碳不易膨脹和收縮,可以延長電池的壽命。
 
根據歐洲專利局和國際能源署的一份報告,豐田十多年來一直在追求下一代電池,從2014年到2018年,豐田申請固態電池的專利數量最多。根據豐田在2021年5月12日的財報會議,宣示要在2030年銷售800萬輛電動車,除了燃料電池之外,固態電池就成為重要的發展方向。(1095字;圖1)
 
 
參考資料:

Paper on all-solid-state battery ranked in the top 3 in Scientific Reports – Nature. Nippon Electric Glass, 2021/4/12.
六家值得注意的固態電池公司。iKnow科技產業資訊室,2021/9/22。
傳統汽車大廠正積極投注固態電池技術。iKnow科技產業資訊室,2022/2/9。
日本及豐田可能在固態電池技術領先嗎?但量產布局過於保守將成為致命傷。iKnow科技產業資訊室,2021/6/2。
蘋果汽車計畫2024年推出 採用磷酸鐵鋰電池、台積電代工晶片、鴻海搶代工。iKnow科技產業資訊室,2020/12/28。
首屆鴻海科技日登場 EV開放平台、關鍵零組件首次亮相 進軍電動車產業 鴻海準備好了 MIH平台共享 將成EV業界的安卓。鴻海官網,2020/10/19。
傳特斯拉向寧德時代預訂80萬輛電動車電池訂單。鉅亨網,2021/10/29。
The next-generation cobalt-free EV battery is just around the corner. LMC, 2021/5/27.
高電壓鋰鎳錳正極材料技術。工業技術研究院。


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