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續航.充電速度.材料來源大不同
新世代電動車電池技術
釋放未來澎湃動力

推動電動車(Electric Vehicle,EV)普及,是全球多國邁向環保未來的策略性措施。不過電動車目前距離真正普及的關鍵,在於電池技術必須有進一步突破,提供更遠續航距離、更快充電時間、更便宜、更安全及更環保,今次就與大家探討各種新一代電池技術,或成為未來電動車的強大動力。

部分圖片:互聯網 

電動車優點多  全面普及需解決電池問題

全球電動車普及化已經指日可待,多國已將全面停用、停產燃油車時間表提上日程。港府環境局亦於2021年初制訂本港首份電動車普及化路線圖,宣佈於2035年或以前停止燃油私家車的新登記;局方更於去年末向外界放風,有機會進一步加快至2030年前實現相關目標,距今隨時只剩約8年時間,確實迫在眉睫。

電動車固然有很多優點,例如行駛時不會排放碳氫化合物、一氧化碳、二氧化碳等對環境及生態有害的廢氣,而且加速相當快之外、駕駛時亦近乎沒有噪音,日常行走亦十分穩定可靠。但現今市場上的電動車亦非全無缺點,其中電池續航力、充電速度更成為困擾電動車車主的兩大問題。 

鋰離子電池受限制 研發新技術刻不容緩

現時業界推出的電動車多採用注入鈷(Cobalt)或鎳(Nickel)的鋰離子(Lithium-ion)電池,雖然鋰離子電池具有足夠能量密度(Energy Density)供電動車作長距離駕駛,鈷及鎳均為稀有金屬。同時以鈷為例,目前全球六成以上產量由非洲國家剛果提供,地方政治經濟不穩以及全球電池生產需求暴增;而且開採鈷依賴礦工以人手挖出,毒性問題長期惹來道德爭議,這些因素都令鈷價格飛升,供應穩定性備受關注。而使用高含量鎳的鋰離子電池亦有易過熱、易燃風險。因此現時的鋰離子電池確實難以應付未來全球電動車市場急速發展,全球多國研究機構、大學、電動車及電池生產商等均積極研究新世代電池技術,以滿足汽車業對更高質素電動車電池的殷切需求。

目前主流電動車電池都是採用注入鈷或鎳的鋰離子電池,成本較高,而且鈷及鎳亦各有不足之處。

新世代電動車電池技術速覽

未來電動車電池技術發展之路,不外乎圍繞兩大方式:改善及提升現有鋰離子電池,或引入/應用新的化學材料開發新型電池。

新一代電動車電池中,磷酸鐵鋰(Lithium Iron Phosphate,LiFePO4,簡稱LFP)電池可說是較為人熟悉的一款,主因是Tesla已開始在出廠至全球多國的標準款電動車,包括Model 3、Model Y改用這款電池,成為目前代替鋰離子電池的最可用方案。在磷酸鐵鋰電池中,磷(Phosphorus)的成本較低,亦不會出現鎳容易過熱所衍生的安全問題。而以目前Tesla Model 3磷酸鐵鋰電池版來看,其續航距離(WLTP)已增至491公里,較原有版本的448公里大升接近10%,十分顯著,相信未來採用磷酸鐵鋰的電動車車款將會進一步增加。 

SINANODE是由OneD Battery Sciences公司開發的改良技術,主要利用現有技術及生產設施去改良鋰離子電池。該技術將矽納米線(Silicon Nanowires)融合商用石墨粉末上,能將電池陽極的能量密度提升至3倍,亦同時將千瓦時(kWh)的成本減至一半,充電時間亦較快。生產商現已推出試點計劃,期望很快便能進入市場。 

鈉離子(Sodium-ion)電池亦是現時研發其中一種電動車電池。早期鈉離子電池能量密度低,而且電池壽命短,難以引起電動車生產商興趣,但最近有研究指出,鈉離子電池的能量密度已能提升至160Wh/kg,已接近鋰離子電池的240Wh/kg;甚至預期到2023年有望提升至200Wh/kg。即使鈉離子電池性能仍未趕上鋰離子電池,但因鈉在地殼中含量達 2.6%,遠比含量僅 0.06%的鋰為多;加上鈉可於海水中提取,全球各地獲取容易,而鋰礦資源主要集中在阿根廷、智利和玻利維亞等南美洲國家以及澳洲,如果鈉離子電池技術持續改進,可望能將電池總成本大幅降低,未來或可應用於對售價更敏感的入門款電動車。 

如果從能量密度著眼物色新電池技術,鋰硫(Lithium-sulfur ,Li-S)電池是理想之選,因為它可提供高達600Wh/kg能量密度,遠較鋰離子電池高出逾倍。如鋰硫電池用作電動車電池的話,以往平均達 300公里的續航力可以一舉提高到近500公里,而且除了可作極長距離行駛外,亦可減少充電次數,有助延長電池壽命。不過鋰硫電池穩定性是一大問題,主因是其充電時會經歷大量膨漲及收縮導致弱化,硫正電極會無法接觸到鋰,同時負鋰電極則被其所產生的硫化合物污染。

近期澳洲蒙納殊大學有研究指出,在生產鋰硫電池電極過程中加入小劑量葡萄糖,能有抑制硫化合物對負電極的污染。惟上述正電極的問題還有待解決,學界及業界期望鋰硫電池可在5年內盡快解決各項技術問題,真正研發成功並投入商用。 

由澳洲石墨烯製造集團(GMG)與澳洲昆士蘭大學合作研發的石墨烯鋁離子(Graphene Aluminum-ion)電池,也是目前其中一項注目的新技術。透過納米技術,生產商可將鋁注入石墨烯製成這種電池,它的極大優勢在於能將充電速度大大提升,較現時鋰離子電池快近60-70倍,而且電池壽命可提升近3倍。若以手機使用這種石墨烯鋁離子電池技術為例,可在1-5分鐘內充滿電,速度極快。即使其能量密度現只有約150-160Wh/kg,僅及目前主流鋰離子電池的60%左右,但仍然有望繼續改良,帶來更強吸引力。


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未來哪些新一代電動車電池技術會跑出?甚麼時候成熟?或許仍是未知之數。但隨著全球減排力度不斷增加,EV定必進一步普及,尤以香港為例,電動車龍頭品牌Tesla,更於今年9月以816輛全新私家車登記數量榮登本地私家車銷量榜冠軍(包括汽油車及電動車),除了是連續三個月排名第一位,更已是今年第六次登上榜~,預期其全年私家車銷量將遠超另一著名車廠豐田,車主對EV充電站需求更勢將激增!眾所周知,本港現時公共充電站數目不足,EV車主每每要為充電大排長龍苦候,若能在屋苑或家中車位上安裝私人充電器,充電就自然不成問題!

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▲資料來源:環境局《香港電動車普及化路線圖》,2021年3月,https://www.enb.gov.hk/sites/default/files/pdf/EV_roadmap_chi.pdf

○資料來源:Now新聞《環境局:或提前至最早2030年 停止新登記燃油私家車》,2021年11月29日,https://news.now.com/home/local/player?newsId=458417

◆資料來源:Tesla Third Quarter 2021 Financial Results Shareholder Deck,2021年10月20日,
https://tesla-cdn.thron.com/static/TWPKBV_TSLA_Q3_2021_Quarterly_Update_SI1AKE.pdf

▼資料來源:OneD Battery Sciences官方網頁,https://onedsinanode.com/sinanode/

▽資料來源:Monash University「A spoonful of sugar opens a path to longer lasting lithium sulfur batteries」,2021年9月10日,https://www.monash.edu/news/articles/a-spoonful-of-sugar-opens-a-path-to-longer-lasting-lithium-sulfur-batteries

◇資料來源:GMG官方網站「PIONEERING TECHNOLOGY」,https://graphenemg.com/energy-storage-solutions/aluminum-ion-battery/

★資料來源:Forbes「Developer Of Aluminum-Ion Battery Claims It Charges 60 Times Faster Than Lithium-Ion, Offering EV Range Breakthrough」,2021年5月13日, https://www.forbes.com/sites/michaeltaylor/2021/05/13/ev-range-breakthrough-as-new-aluminum-ion-battery-charges-60-times-faster-than-lithium-ion/?sh=7310348b6d28

~資料來源:星島日報《電動車大賣 9月本地新車銷量彈升15.9%》,2021年12月18日, https://std.stheadline.com/supplement/article/2427459

#每個服務計劃只適用於已登記的電動車使用並以申請時的車牌號碼為準,客戶另需繳付安裝費、預繳一個月服務月費及按金。如有違此條款,Smart Charge有權即時終止其服務供應而不作事先通知,並向申請人追討一切損失及責任。服務計劃須受條款及細則約束,如有更改恕不另行通知,詳情請向銷售員查詢。Smart Charge所提供的充電服務適合已獲香港特區政府或其授權部門發出有效牌照或車輛證明文件之電動私家車輛使用。服務提供需視乎實際情況及有關授權並受有關條款及細則約束。如有任何爭議,Smart Charge(HK)Limited將保留最終決定權。

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