六分鐘充滿電！Porsche探討完美的電池與願景

Written by: Bear

現在的電動車的電池已經可以支持長途出行，並且充電時間也日益縮短。不過研究人員仍在探索更好的儲能係統。Porsche Engineering探討了鋰離子技術的現狀以及未來有可能的新應用。在市場上，這種能力幾乎是必須的，更尤其是跑車的車主不會是願意等待充電的人。Porsche Engineering的工程師Stefanie Edelberg博士表示，「高充電性能對於Porsche來說尤其重要，運動型駕駛消耗電池的速度很快，消費者可不想等上一個小時才能完全充上電。」

車主顯然不需要這麼做。亞琛工業大學(RWTH Aachen University)電化學能量轉換和存儲系統技術教授Dirk Uwe Sauer表示，「汽車動力電池技術在實踐中的表現很好，包括性能、充電速度和使用壽命。然而一些極端的特性是無法結合在一起的，魚與熊掌不可兼得。例如：：超高速充電和高能量密度就不可能結合，這種組合會嚴重影響使用壽命。」 Sauer補充道，所以他對媒體關於所謂奇蹟電池的報導都持懷疑態度。因為通常情況下，優化單個參數都是以犧牲其他參數作為代價的，所以「不會有萬能的電池。」

鋰離子電池：高能量密度

電動車的儲能係統一直在進步，但在可以預見的未來，鋰離子電池仍然將是首選技術。這是因為鋰離子的高反應性讓電池有了相應的高能量密度，這使得大量的能量得以在較小的空間內儲存。它還有著高儲存性和穩健性，這使鋰電池能在高放電強度下承受約2000次充電循環才失效。然而開發人員相信它們壽命還能再堅持好幾倍的時間(電量低原本出廠時的70%就必須回收)。此外，鋰電池沒有鎳鎘電池含有的記憶效應，在頻繁局部放電的情況下，後者會「記住」典型的能量需求，並據此調整自身的能量。

此外，鋰離子技術在電池化學和電池設計方面仍然提供了豐富的發展前景，例如：能量密度。據弗勞恩霍夫系統與創新研究所(Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research)的研究人員稱，在過去十年中，電動車用大尺寸鋰離子電池的能量密度幾乎翻了一番，平均能量密度已達250 Wh/kg(500 Wh/l)。到2030年，能量密度還將再翻一倍。

鋰離子電池的其他性能也可以進一步改善。「最大的挑戰是快速充電和安全性，」 烏爾姆亥姆霍茲研究所(Helmholtz Institute Ulm)電池電化學研究小組主任Stefano Passerini教授表示，「在15分鐘或更短的時間內快速充電到80% 將使電動車更具吸引力。然而，隨著快速充電的進行，對安全性的要求也隨之提高。」

電池的容量和性能會隨著每次充電速度過快而降低

快速充電一直是一個挑戰，因為鋰離子會在充電過程中遷移並嵌入到石墨電極中；當放電時，鋰離子又從那裡脫嵌回到正極中。Sauer解釋說，「電池充電的速度越快，鋰離子粘在石墨表面形成金屬層從而損壞電池的風險就越大。所以電池的容量和功率會隨著每次快速充電而減少。在極端情況下，還可能發生短路。很遺憾，「太快」的標準很難定義。很多地方都在深入研究如何在實驗室中檢測到這一點，尤其是在電動車上。」

鋰離子電池的充放電：在鋰離子電池中，通常由石墨製成的負極和通常由含鋰化合物製成的正極被一個隔板隔開，帶正電荷的鋰離子可以自由雙向通過。放電時，電子從負極通過外電路流向正極，同時帶有正電荷的鋰離子也穿過隔板移動到正極中，在充電期間，外部電壓又會驅動鋰離子回到負極的石墨結構中。

鋰特別適合做成電池，因為他是元素週期表中是分子量最小的金屬，而且特別輕易就能拋棄它三個電子中的一個。同時，它的活性也導致鋰原子容易形成化學鍵，為防止這種情況產生，必須保護它們在電池內不受空氣和水的影響。

開發人員還面臨著其他技術障礙，譬如充電插頭、充電電纜和汽車基礎設備也必須為大電流設計，這裡有一句常被提起的話叫做「安培很重」。換句話說，大電流意味著粗線纜，因此會增加重量。然而，這可以透過一個高電壓作業系統來補償，這也就是為什麼Porsche Taycan配備了800 V高壓電池系統，而不是普通電動車的400 V。

為了比較不同電池容量電動車之間的充電效率，C-rate是一個很有用的度量標準，它表示了動力電池的充放電電流(A)與電池容量(Ah)之比。C-rate為1時表示完全充電需要一個小時，2為半個小時，3為20分鐘。而開發人員的目標是把C-rate提高到10，這意味著6分鐘左右就能充滿電，接近於內燃汽車的加油速度。

今天我們離這個目標還有很長的路要走。但在「快速充電」的研究項目中，西門子、Phoenix Contact E-Mobility以及Porsche…等公司正致力於改善電動車的能源供應系統。這個工業聯盟目前已經取得了很大的進展。一台Porsche試驗車的電池容量約為90 kWh，可以在充電初期達到3分鐘增加100公里續航的效率。在超高速充電站完成10%到80%的充電過程也只需15分鐘，因此C-rate可以達到4~5之間。「充電效率的決定性因素是一個擁有創新冷卻系統的動力電池以及車輛和充電系統。」 Edelberg解釋道。

固態電池將有望在快速充電和安全方面取得進步，也就是使用固態聚合物或陶瓷代替液態電解質。由於沒有了液體，電池體積會變得更為緊湊，這使得它們的能量密度得以顯著增加，同時電池也會變得不容易燃燒。

Stefano Passerini教授表示：因為固態電解質不太容易著火，我們希望固態鋰電池能有效減少安全問題，理論上它的充電速度也能更快。不過實際的可行性還有待證實。

輕質替代品：鋰硫

鋰離子電池仍將是動力電池的基礎，這裡還有另一種正在進行深入研究的另一種型態的電池：鋰硫電池(Lithium-sulfur batteries)。在這種電池中，正極由一個硫網取代現在三元鋰離子電池的鈷錳鎳網結構。這能使電池比傳統儲能設備要輕得多。但目前它的價格昂貴許多，因此它比較適合作為未來空中交通的一種選擇，但它的耐久性仍然存在問題。

其他提高能量密度的技術目前也正在研究當中，並可能在現在或未來幾年推出，包括由矽碳複合材料製成的電極材料、富鎳電極或者讓電池電壓達到5V左右的新材料。Sauer表示，「這些領域的研究已經接近接近實際應用。」不過許多其他更低成本方法仍然停留在基礎研究領域，比如用鈉離子代替鋰離子或金屬氧化物。

中國仍將是世界上最大的鋰離子電池生產國。但歐洲，特別是德國也正在迎頭趕上。其2020年產能分別達到413.5千兆瓦時和173千兆瓦時的工廠。

Sauer還認為所有的發展路徑都有一個決定性因素，那就是成本：「最後，一輛車的行駛里程不是受到電池重量的限制，而是受到價格的限制。」 據諮詢公司Horv?th & Partners數據，鋰離子電池的每千瓦時(kWh)價格已經從2013年的400歐元下降至2019年的107歐元，但由於需求的增加和原材料成本，價格不會以這個速度繼續下降，而原材料成本佔電池成本約75%。

有一件事可以明確：在未來十年，隨著性能的進一步增強，鋰離子電池將繼續佔據主導地位。Sauer認為，「進步將是漸進而非革命性的，我不指望有什麼飛躍，因為就在我們說話時，我們已經探索到了自然法則的邊緣。」當然這未必是件壞事，「這是一項無可替代的優秀技術，基於目前汽車動力電池，電動出行已經運作得很好了，並且在未來數年還有進一步發展的潛力。」。

如今，鋰離子電池已經為電動車提供了長續航和快速充電的能力。但發展仍在繼續，固態電池和新型電極材料等新技術可以在未來進一步提高電池的能量密度，並進一步減少充電時間。

在過去的二十年裡，製造商已設法將電池成本降低了約80%，其來自用鎳逐步取代昂貴的鈷發揮了突出作用，這兩種金屬都可在陰極的層狀結構中與鋰結合。而更高百分比的鎳還有助於在同一時期內將能量密度增加三倍。另外，更高的矽含量也會增加電池能量含量，這些電池材料都是降低成本的關鍵。