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為了因應電動車市場的快速增長，電動車的電池技術正在經歷一場重大革新。除了傳統的鋰離子電池外，各種新穎的電池技術不斷地推陳出新，為電動車的動力來源提供了更多元的選擇。例如日本豐田汽車在去（2023）年宣布，他們計畫在2027∼2028年推出一款可行駛1000公里、充滿電僅需10分鐘的電動車。此電動車電池捨棄了傳統的液態材料，採用固態設計。除了日本外，中國製造商宣布在今（2024）年推出以「鈉離子」為動力的平價電動車；相較於鋰離子，鈉離子的價格較為便宜且在地殼中的含量豐富。而遠在太平洋另一端的美國，則研發出一款能在空氣中運作的「鋰空氣電池」（Li2O-based lithium-air battery），所產生的能量足以作為飛機的飛行動力來源。
 

電動車用電池

目前已有十幾個國家宣布汽車必須在2035年以前全面電動化。根據國際能源署（International Energy Agency, IEA）的預測，2030年全球道路上的電動車數量將從2021年的1650萬輛增加到近3.5億輛；與2020年相比，電動車電池的能源需求會在2050年增長90倍，達到14百萬兆瓦時（terawatt hours, TWh）。裝設於電動車上的電池須滿足一系列嚴苛的要求，像是小巧輕便，以便塞入更多能量，提供汽車行駛更遠的續航力。此外，還需要提供足夠的動力、快速充電、使用壽命長（一般標準是承受1000次完整的充電循環，足以讓消費者使用10∼20年）、在各種溫度下都能正常工作，且具有安全與可負擔的特點。
 
然而，要同時達成上述這些效能非常困難，因此相關研究人員正在尋求多種選擇，並針對不同的目標進行電動車用電池的開發。美國能源部（United States Department of Energy,DoE）於2017年啟動「Battery500」計畫，目標是使電池的能量密度達到每公斤500瓦時（Wh/kg），使電池效能比當今最好的產品高出65％。美國能源部高級研究計劃署（US Advanced Research Projects Agency–Energy, ARPA-E）的「PROPEL-1K」計劃，則雄心壯志地將電池能量密度的長期目標設定為每公斤1000瓦時。在成本方面，美國能源部車輛技術辦公室的目標是到2030年將每公斤1000瓦時的電池價格降至60美元——約為現在的一半，他們認為這樣的成本降低將使電動車的引擎價格與油耗車持平。
 
現階段多數的電動車使用了不同形式的鋰離子電池，由於鋰是元素週期表中第三輕的元素，它的外層電子活性使得鋰離子成為優秀的能量載體，且能在由石墨製成的負極和由金屬氧化物製成的正極之間移動。自1991年第一款商用產品問世以來，鋰離子電池現在已有了顯著進步：它的電池能量密度幾乎增加了三倍，價格則下降了一個數量級。迄今為止，鋰離子電池效率出現進展的大部分原因都來自於正極材料的改變，像是用於汽車的電池便使用了鎳、鈷、鋁、錳作為穩定劑的混合物（NCA、NCM）。而在磷酸鐵鋰電池（LFP）中不需要使用昂貴的鈷、鎳，但迄今為止的能量密度相對較低。儘管在研究上有著重大進展，但鋰離子電池仍存在某些缺點，例如安全性、充電速度限制，以及使用稀有金屬鈷、鎳等成本問題。因此，研究人員也正積極探索其他的電池技術，例如固態電池、鈉離子電池、金屬空氣電池，希望能取得突破性的進展。
 

新型電池技術的發展

固態電池使用陶瓷或固態聚合物作為電解質，它具有可以容納鋰離子傳遞的通道，同時也能抑制鋰枝晶（dendrite）的形成。這些特性使得全鋰金屬的陽極具有能量密度優勢、更容易使用，且電池中也去除易燃的有機液體，消除可能引起火災的隱患。但如何製造出固態電池中層與層之間平滑無瑕的介面是一大問題；此外，離子穿過固體的速度往往比穿過液體慢，這也限制了固態電池的功率。
 
隨著科學家對電池的探索，有些人開始認為最迫切需解決的問題是找到一種便宜又永續的電池化學物質。預計到2050年，製造電動車用汽車電池所需的金屬量約1400萬噸。相比之下，當今全球的鋰開採量約為每年13萬噸，鈷開採量接近20萬噸，鎳開採量則為330萬噸。由於所需數量與實際數量之間的落差，因此適當選擇地球中含量較多、便宜，且開採時不會造成環境過度破壞的金屬非常重要。目前許多研究人員和公司正在嘗試出製造不使用鎳、鈷，或其他昂貴金屬的電池。例如專門開發電動車固態鋰金屬電池的美國公司QuantumScape就表示，他們製造的鋰空氣概念電池、LiS電池若能成功發揮作用，就具有這此優勢。
 
此外，也有研究人員曾嘗試以鈉、鎂、鈣、鋁、鋅等其他電荷載體取代鋰。現階段針對鈉金屬的研究較多，原因來自鈉在取得來源上容易（地殼中的鈉含量大約是鋰的1000倍），且鈉在元素週期表中位於鋰的正下方，它的原子更重、更大，但具有相似的化學性質，而這也代表鋰電池的開發、製造經驗可以複製到鈉離子電池上。但由於鈉的重量比鋰更重，因此更難達到高能量密度；且現今也沒有太多時間能開發出最好的電極和電解質。能量密度較低意味著車輛的續航里程有限，根據估計使用鈉電池的汽車續航里程約為250∼300公里，而現階段使用鋰動力電池的特斯拉ModelS，續航里程則可接近600公里。
 
在鈉離子電池的製造方面，於今年初取代特斯拉（Tesla）成為全球最大電動車製造商的中國企業集團比亞迪（BYD）已宣布集團的首座鈉離子電池工廠破土動工。而目前也有許多中國汽車製造商，包含奇瑞汽車（Chery）、江鈴集團新能源（JMEV）、江淮汽車（JAC）在今年宣布將推出由鈉離子電池驅動的廉價汽車，這些小型汽車的價格預計落在一萬美元左右。
 

未來的電動車電池開發

電池開發在實作上具有一定的難度，因為材料在研發過程中可能出現科學家無法預期的行為。即便人工智慧（artificial intelligence, AI）和化學的自動合成（automatic synthesis）可以提供幫助、快速開發新的電池材料，但AI在使用上仍受到化學家輸入資訊時的限制，在使用過程中實際發生的情況仍存在許多未知數。
 
未來，世界上的許多研究團隊仍會持續進行電動車電池開發的研究，期待新技術與新電池的開發能幫助電動車朝向更實用、有效率的方向發展。

電動車的鋰電池。（Adobe Stock）

 
新聞來源
Jones, N. (07 February 2024). The new car batteries that could power the electric vehicle revolution. Nature, https://www.nature.com/articles/d41586-024-00325-z.