【科技．未来】满足五大关键需求 固态电池可助电动车成为主流？
尽管锂离子电池的能量密度和寿命在过去十年稳步上扬，但电动车在各种性能指标上仍落后于使用内燃机的汽车。例如大多数电动车的航程不足300英里、充电需一个多小时、电池容量在十年内损失近三分之一，并因为用上易燃材料而构成严重安全风险。
要解决锂离子电池的问题，固态电池是一个已知数十年、理论上可行的答案，但一直没有人能制造出耐用、便宜又安全的版本。去年9月，QuantumScape声称已经解决了固态电池的关键技术难题，上月初还提供了实验数据。
四十年电池难题
据QuantumScape公布的资料，其固态电池可在15分钟内充电至80%满（汽车杂志《MotorTrend》去年曾进行测试，Tesla的V3超级充电站在37分钟内将车款Model 3的电量从5%充至90%）。电池在800次充电周期—相当于驾驶24万英里后，仍可保留80%容量。
固态电池的概念很简单，是将锂离子电池内使用的液态电解质改为使用固态电解质。当不再使用易燃的液态电解质，理论上更安全。QuantumScape的电池大约相当于一张扑克牌的大小和厚薄。它的阴极（cathode）由镍锰钴氧化物（NMC）制成，是当今电动车电池中的常见物质。现时锂离子电池的阳极（anode）主要由石墨制成，因为它易于储存在电池中来回穿梭的锂离子；但QuantumScape和其他固态电池的阳极完全由锂金属制成。
QuantumScape的第一个突破之处，开发出一种固态陶瓷物质，同时作为电池电解质和隔膜。它只有几十微米厚，并可抑制枝晶形成，还容许锂离子轻松地来回移动。由于电解质在电池阴极一侧是某种形式的凝胶，所以它不是完全固态电池。QuantumScape的另一突破是，其固态电池采用“无阳极”设计。充电时，电池阴极一方的锂离子会穿过隔膜，在隔膜的另一侧与电池的电力接触点之间形成一层锂，是为暂时的阳极。电池放电时，这层锂几乎完全回到阴极。这样阳极就毋须使用任何不直接参与储存能量或携带电流的材料，从而进一步减少电池必要的重量和体积，增加能量密度。该公司还声称这应可降低制造成本。
美国卡内基梅隆大学机械工程系副教授、QuantumScape技术顾问Venkat Viswanathan形容，固态电池被视为行业的“圣杯”。他说有份开发锂离子电池的2019年诺贝尔化学奖得主Stan Whittingham，早于1976年发表了一篇有关锂金属阳极的论文，并称之为“新电池系统的基础”。Viswanathan说：“这个问题已有四十多年历史了。如果锂金属电池成功，代表着在大众市场之电动车和消费电子产品中，在相同重量的电池组下，可以分别得到额外50%的航程或电池使用时间。”QuantumScape声称其电池体积容量密度超过每公升1,000瓦时，估计比锂离子电池多50%至100%，电动车航程可增加逾80%。
打进“98%市场”
QuantumScape行政总裁Jagdeep Singh认为，实验结果证明了该公司的电池可满足五个关键的消费者需求：更低成本、更远航程、更短充电时间、更长寿命和更安全；而这些都是令电动车一直在美国只占新汽车销量不足2%的因素：“任何能够满足这些要求的电池，都可以让你开启本来无法打进的98%市场。”他补充：“今天的电池没有竞争力。它们没有足够的能量密度来满足所需航程，没有能力快速充电。今天最好的电池大约要花一个小时才充满电，但显然汽油车在5至10分钟内就能入满油。”
QuantumScape获一些投资者支持，其中，德国福士已投资逾3亿美元。两者共同成立了一间合资企业生产电池，预计在2024至2025年开始生产，会应用到福士的私家车和货车上。投资者还包括微软（Microsoft）创办人盖茨（Bill Gates）和升阳电脑（Sun）创办人Vinod Khosla。电动车以外，Straubel还预期：“有了这种能量密度和功率，电动航空就会变得吸引和可行。”
群起追逐“圣杯”
现时，几乎每个汽车制造商都视电动车为未来，不少大国和大型汽车市场正逐步淘汰以汽油为动力的私家车和货车。在这股潮流下，拥有逾1,000项相关专利的日本丰田汽车可能是固态电池的领先者。这间全球最大汽车制造商计划成为第一间在2020年代初销售配备固态电池的电动车公司。丰田正与松下（Panasonic）合资的公司开发、生产和销售固态电池，原计划在2020年东京奥运会上发布使用这种电池的电动车，虽然计划因疫情而延期，但动力总成部门副主席海田启司说，丰田仍按照进度将于本年推出固态电池原型，并跟福士一样可于2025年开始生产。另一日本车厂日产（Nissan）也计划开发固态电池，预计2028年应用于电动车。
除QuantumScape外，另一初创公司Solid Power亦已研制了一款可运作的固态电池。其行政总裁Doug Campbell指，已经生产出更大型的固态电池，可能更为接近用于电动车的规格。他们自去年第二季起在位于美国科罗拉多州的工厂试点生产线上，生产具十层的电池原型。
Solid Power已经与多间汽车制造商如福特（Ford）、宝马（BMW）、现代（Hyundai）等建立了合作关系。Campbell计划在2022年将其固态电池作汽车零件规格验证，他预期：“假设一切不变，而且代工生产商（OEM）的运作步伐能够维持，我们有望在2026年开始支援汽车生产，但2027年的可能性更大些。我们正与一些OEM洽谈可否加快进度。”
其他正研发固态电池的公司也获不同车厂和供应商支持，例如Ionic Materials得到现代、三星、雷诺、日产的投资；SolidEnergy就得到通用汽车（GM）、上海汽车集团、韩国SK集团等投资。而在中国，清陶能源会从本年起，未来三年在包含固态电池在内的研发领域投入逾10亿元人民币。继续阅读：【科技．未来】数据亮丽惹市场热炒 固态电池初创可挑战Tesla？
（节录）
上文节录于第249期《香港01》周报（2021年1月18日）《满足五大关键需求 固态电池或助电动车成主流》。如欲阅读全文请按此试阅周报电子刊，浏览更多深度报道。