2010年1月11日 星期一

電池技術大躍進 電動車起跑

【經濟日報】2009.12.22
早在汽柴油引擎車被發明前,電動車就已經問世,但何以到現在,才開始被廣泛注意與發展,動力電池(車用電池)的發展是關鍵因素。
裕隆汽車總經理陳國榮說,目前電池占電動車的成本超過五成;電動車未來十年內能否順利普及,電池技術提升與成本下降,絕對是關鍵。他相信,這樣的一天絕對會來到。
也由於電池是推動電動車的最大關鍵,近年來各大車廠陸續與電池大廠結盟,除了雷諾、日產汽車與日本AESC,豐田汽車與松下、現代汽車與韓國樂金化學(LG Chem)結盟,已掌握電池核心技術,以及確保電池供應來源。
就連台灣的裕隆集團,也積極參與能元科技的增資,不排除未來電動車量產後,進一步與能元結盟。
金富田科技總經理張金鋒說,電池是讓馬達離開牆壁,可以隨意移動的關鍵。
金富田是知名的電動車馬達供應商,包括美國電動車廠Tesla、寶馬(BMW)集團的Mini E電動車、台灣裕隆集團開發的電動車等,都是採用金富田的馬達產品。
不過電動車所需要的電池,可不是一般的電池。試想,我們在行駛車輛的過程中,有時需要重踩油門急加速,有時行駛高速公路需要長時間高速運轉,有時需要載重爬陡坡,也需要大腳油門。
若轉換為電動車,對於電流的需求,也是不穩定的,有時需要瞬間大電流放電,驅動電動馬達加速,有時又要穩定放電,加上車輛的使用環境更嚴苛,需要克服高熱、高濕度、震動等因素。
國內少數從事電動車、綠能產業研究的集邦科技指出,電動車對電池的要求極高,必須有高能量密度、高電力密度、快速充電與深度放電的特性,且要求成本儘量壓低、使用壽命儘量長。近幾年來,動力電池使用材料與技術有關鍵性突破,更是加速電動車推廣的關鍵。
電池材料種類很多,但如今有愈來愈多研究單位,考慮以鋰電池作為電動車用的動車動力電池。集邦科技研究發現,鋰電池具有工作電壓高(是鎳氫電池的三倍)、能量密度大、體積小、重量輕、使用壽命長、自放電率低、無記憶效應等特色,較能滿足電動車的嚴苛需求。
汽車畢竟是「安全第一」的產品;沒有安全,再好的科技、性能,也是惘然。目前電動車最大的安全疑慮,就是來自於電池,也是擋在電動車推廣道路上的最大障礙。
一般筆記型電腦的電池,不過是六顆鋰電池串聯,不時傳出有電池爆炸、電腦燒掉的新聞。
一輛電動車,動輒需要三、五千顆的鋰電池,同時大電流放電,產生的高熱難以想像的;高熱不僅可能造成鋰電池效能快速衰耗,更可能造成整輛車爆炸、燒掉的危險,是目前很多開發電動車的廠商,最頭痛的問題。
因此除了電池材料、製程技術之外,散熱系統設計,更重要的是電池管理系統(BMS)的技術,更是確保電池維持最佳工作效能、不會過熱,又兼顧安全性的關鍵。
現階段電池廠對於鋰電池多半只提供一年保固,與目前汽車廠提供產品三年以上保固的政策相左,也是電池廠切入動力電池領域必須面對的挑戰。
鋰電池 車用動力主流
車用動力電池百百種,有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰電池,何種電池與電動車最麻吉?
目前普遍被應用在汽車上的鉛酸電池,是發展最久、技術最成熟,且成本最低,但是深度放電會大幅減短壽命、體積重量過大等缺點,並不適合用於作為電動車的動力電池。
此外,鉛酸電池還有材質容易造成環境汙染等困擾。
搭載於油電混合動力(Hybrid)車上的鎳氫電池,大幅改善鉛酸電池的缺點,較適合作為動力電池。
然而鎳氫電池自行放電的缺點,電力儲存時間不足,加上充放電循環壽命較短,仍無法作為電動車主要動力電池。
近年最夯的鋰離子電池(鋰電池),最為人所熟知的優點,是不像一般充電電池有惱人的記憶效應,且重量較輕,被大量運用在3C電子產品上。
鋰電池被看好是電動車電力儲存的最佳選擇方案。目前全球電池業者在鋰電池材質的發展上,主要又可以「鋰鈷」、「鋰錳」、「鋰鈷鎳(鋰三元相)」、「磷酸鋰鐵」等種類,各自配方不同,適用於不同的領域。
其中又以鋰錳與磷酸鋰鐵兩類鋰電池,是目前用以發展車用動力電池的主流。
鋰錳電池擁15年以上的經驗優勢,獲得電動車廠的信賴,已搶得動力電池市場的入場券,這也是其他配方電池現階段難以超越的鴻溝。
包括已量產上市的寶馬Mini E、美國Tesla Roadster、裕隆開發的Luxgen EV+等電動車,搭載的都是台灣能元科技的「鋰錳電池」模組。
使用迄今,零事故的成績,成為能元爭取其他車廠電動車生意的最佳保障。
後起之秀的磷酸鋰鐵電池,主要材料之一的鐵,並非稀有金屬,未來量產後有成本較低的優勢,且安全性較高、工作溫度範圍大(攝氏負45度至70度),較符合車用需求,外界看好將是未來動力電池主流。
不過電池業者提醒,受到專利權的制約,目前磷酸鋰鐵電池是「最貴」的鋰電池,並不符合電動車想降低成本以達到普及化的需求。
此外,集邦科技指出,鋰電池正極材料商在製程中,能否讓材料達到配方的最佳「均勻度」,更是所有鋰電池能否發揮最大效應的關鍵。
目前大陸有多達二、三十家鋰電池業者,但每家產能頂多在20至60公噸間,顯少有突破百公噸的規模,除因為投資金額龐大外,材料均勻性確保不易,更是關鍵。
鋰礦少 鋰電池爆缺料危機
電動車採用鋰電池的趨勢愈來愈明確,不過卻也隱藏另一大挑戰,就是來自於鋰礦的稀有,及鋰電池的產能不足。
根據集邦科技所蒐集的資料研判,全球能用於鋰電池生產的鋰礦資源是十分稀少的,全球庫存量僅1,590萬公噸,其中能開採的僅約半數。
集邦科技直言,若電動車持續發展,將引爆電池材料缺乏的危機。
集邦科技表示,假設一輛電動車需要100公斤的磷酸鋰鐵正極材料,需要耗用原料碳酸鋰30公斤左右,換算成鋰礦後大約需要5公斤,以去年全球鋰礦僅產出3.5萬公噸來算,全數拿來用於生產鋰電池,也僅能夠供應約700萬輛電動車使用,對照中國大陸今年汽車銷量1,300萬輛,顯然鋰礦的不足,將是電動車發展的大危機。各國政府已開始警覺到能源需求,將影響稀有礦產資源分配的問題。
中國政府開始限制稀有礦產的出口;最大鋰礦蘊藏國玻利維亞政府,也開始與日本、法國、韓國等國的多家公司進行談判,以聯合開發鋰礦資源。
對於發展電動車產業來說,現階段鋰礦資源的存量應該是足以應付能源的需求,然而開採鋰礦的產能卻有待提升,才足以支持未來幾年內會快速增加的電動車鋰電池需求。
鋰電池廠生產線投資金額龐大,且產能有限,也是極大的挑戰。
以全球唯一有量產電動車電池實際出貨經驗的台灣能元科技為例,就算將明年將量產的新生產線納入,鋰電池月產能最高可達1,200萬顆,也不過只能滿足2,400輛至3,000輛電動車所需,連供應台灣一家車廠一個月的新車銷售需求都還不夠。
此外,研發中的鋅電池電動車技術,宣稱能降低電動車對電池容量的需求,若能順利推展,有機會改善目前電動車所面臨的成本窘境,也對成本居高不下的鋰電池帶來嚴重威脅。鋅電動車,其實是利用鋅氧化過程會產生電的原理發電帶動車輛。
由於鋅並非稀有金屬,成本遠低於鋰金屬,且鋅氧化後可以經過回收還原,再次利用,發展潛力不容小覷。
鋅電動車的製作,類似燃料電池車概念,利用鋅氧化產生電,儲存於電池,再經由電池放電,驅動馬達、帶動車輛。

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