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石油能源的短缺危機,加上減碳救地球的環保訴求,節能與開發新能源乃當務之急,發展電動車輛成為 一股新的產業趨勢,但發展速度似乎並不如預期,係因電動車最關鍵的零件─二次電池,製造技術雖一再翻新,卻始終達不到環保、耐用、成本低三項皆備的理想, 現今因「氧化鋰鐵磷電池」的問世,可望解決此一棘手的難題。■ 文/KK  圖/友亮攝影


二 次電池泛指可以藉由充電再補充電力的蓄電池,係目前機動電力的主流。3C電器因二次電池的廣泛運用,才得以隨身攜帶,走到那裡使用到那裡。電動車的問世亦 然,電動車的組成架構,分別由驅動馬達、動力控制模組、電池模組三大關鍵組構,其中電池與電池控制系統涉及用車安全性與汽車廢棄後的環保回收議題,同時電 池管理系統也將直接影響電動車的動力表現、使用便利性與電動車電池壽命表現,是影響電動車整體表現最關鍵的部分。

環保要求成為二次電池的主流

車 用電池問世以來,經過不斷地改進,目前概分─鉛酸電池、鎳鎘電池NiCd、鎳氫電池NiMH、鋰離子電池Li-ion。目前使用最普及,也是問世最早的鉛 酸電池,其電壓約1.2V,容量雖低但可輸出較大的功率。鉛酸電池常使用於汽車中作啟動引擎用,或用於不斷電系統(UPS)、無線電機、通信機。之後又有 鎳鎘電池NiCd的問世,電壓亦1.2V,雖有較強烈的記憶效應,但容量仍較低,又含有毒物質,對環境有害,現已被淘汰。顯然這二款傳統電池並不適用於需 要持續電力的電動車。

另外一款鎳氫電池NiMH ,係由鎳鎘電池改良而來的,以可以吸收氫的金屬代替鎘(Cd),它以相同的價格提供比鎳鎘電池更高的電容量、較不明顯的記憶效應、以及較低的環境污染(不 含有毒的鎘),且其回收再用的效率比鋰離子電池好,被稱為是最環保的電池。鹼性電池在長期不使用後可能會漏出具輕微腐蝕性及有害液體,對人體有害又會損壞 使用該電池的裝置)。鋰電池在不適當使用時有可能燃燒或爆炸,相對來說鎳氫電池算是比較安全的電池。

提到鋰電池,一般指的是鋰離子電池Li- ion,電壓約3.6、3.7V。鋰離子電池具有重量輕(容量是同重量的鎳氫電池的1.5~2倍)、容量大、無記憶效應等優點,具有很低的自放電率,且不 含有毒物質,因而即使價格相對較高,仍然得到普遍應用。唯鋰離子電池運用於消費性電子產品的Li-ion電池,在存放一段時期後電量會永久減少。而應用於 電動車及混合動力車的Li-ion電池,與上面略有不同,電池容量相對略低,但有較大的輸出、充電電流,有的也有較長的壽命,但成本較高。

電動車 的研發由來已久,直到近年才在汽機車市場勉強占有一席之地。拜電子、電機技術日新月異之賜,電動車的驅動馬達、動力控制模組,性能毫不遜於石化燃料車輛, 然而,在電池模組相關技術上,其發展速度卻不如前二者。電力直接左右電動車的巡航範圍,尤其是消費者有了石化燃料車輛使用體驗之後,常會拿來跟電動車比 較,不僅在單次充飽電的巡航範圍、或是每次快速充電後的增程範圍,都會被未來車主拿放大鏡仔細檢視。

充電速度上有突破性進展

電 池性能決定了電動車的最大行程及充電時間。所謂的電池性能,基本上可以從電池容量、充電時間和電池壽命來探討;尤其後者攸關成本問題。電池容量取決於製造 電池物質的能量密度(即一定體積或重量下的儲存能量的多少),在電動車中,一般較關注的是重量能量密度(Wh/kg),因為重量越大,車輛加速等情況消耗 的能量越高。而當外來因素如上坡等需要增大輸出功率時,會使電池容量變小,使得行駛距離比標示預期的短。電池容量也影響二次充電之間最遠的行駛距離。若就 這方面,在合理體積及重量相等下計算行程,至今尚無任何電動車,足以和石化燃料車輛比美的性能。

其次,近年電池技術在充電速度上有突破性進展,一 般充電大約需時3至4個小時,某些種類的電池使用專用充電設施的話,可以在15-20分鐘內充滿,甚至有新型電池可在8分鐘充滿80%。儘管新技術使電池 能在十數分鐘完成充電,但不能不提的是,較慢速的充電方式相對地有利延長電池壽命。是否二者能得兼?係電池業者長期亟欲克服的難題,一些新型電池似乎已有 初步的突破,至少能在快充之下,不要那麼快就「壽終」!

關於電池壽命,一般的充電電池只能充放電數百次,對電動車來說並不足夠,所以運用在電動車 的電池都針對電池壽命作出改進。影響電池壽命的因素,除了製造電池的物質外,同一電池在不同使用條件下,電池壽命也有不同,在不同的電量狀態(即剩餘電 量,State of charge—SOC)下,以不同的電流充電或放電會對電池壽命有不同影響;放電低於某一水平及充電高於另一水平都會對電池壽命有損害,亦即在剩餘電量不 太高也不太低的一個範圍內充放電才不至損害電池壽命,但是這個範圍的大小會因放電電流或充電電流的變化而改變。

在混合動力車上,需要電力時可以即 時由發電機向電池充電,使電池保持在理想電量之內,大幅延長電池壽命,有些型號的電池大多可使用超過10年。但在電動車上不可能在電池需要充電時就馬上有 充電用的電源,所以製造商在增加電池容量的同時,也研究如何增加不會損害電池壽命的電量範圍。

鋰離子電池種類多

目 前電動車所使用的電池有鎳氫電池(Ni-MH)或鋰離子電池(Li-ion battery)。兩種,各有擁戴者。鎳氫電池重量較重,能量密度約30-80 Wh/kg,比鉛酸電池高,比鋰離子電池低,雖然輸出功率較低,而充放電效率(充電時間長)也不及鋰離子電池(只有60-70%),但壽命相當長,且自放 電較大及在低溫下性能較差的問題在近年已大為改進,加以成本較鋰離子電池低,因此,儘管大部份的電動車業者都改用鋰離子電池,但仍有一些業者至今還堅持採 用。

鋰離子電池則是以鋰及其他物質組成的電池。鋰離子電池較輕,能量密度高達200+ Wh/kg,輸出功率較高,充放電效率高達80-90%,而自放電較鎳氫細少,但價格較鎳氫高。一般手提電腦、手機用的鋰離子電池只有數百次的充放電壽 命,即使儲存不使用,隨時間增加容量也會衰減,而且有潛在危險(例如爆炸等)。而使用在電動車的鋰離子電池有別於上述一般鋰離子電池,大幅改充放電次數、 存放壽命等問題,缺點是容量較一般鋰電池略小,但仍比鎳氫電池大。

鋰離子電池又因採取的正極材料不同,而有「LiNiO2」(鎳鋰電池)、 「LiCoO2」鈷酸鋰「LiNi0.8Co0.2O2」(鎳鈷鋰電池)、「LiMn2O4」(錳鋰電池)、「LiNi0.3Co0.3Mn0.3O2」 (三元電池)、磷酸鋰鐵電池(LFP)、氧化鋰鐵磷電池(LFPO)等數種不同的電池。正極材料的選擇決定了鋰離子電池的容量、安全性和老化特性。

鈷 酸鋰電池為之前最常見的鋰離子電池,由於充電速度慢、安全性不理想,不耐高溫、不耐撞擊,曾發生過爆炸意外;加以鈷材料價格不斷飆高,取代性電池不斷被開 發出來。鋰鎳電池的成本較低且電容量較高,不過,製作過程困難且材料性能的一致性和再現性差,最嚴重的是依然有安全性問題。而鎳鈷鋰電池是鎳鋰電池和鈷鋰 電池的固溶體(綜合體),兼具鎳鋰和鈷鋰的優點,一度被產業界認為是最有可能取代鈷酸鋰電池的新正極材料,但安全性還無法有更大突破。


氧化鋰鐵磷電池2005年問世

因 此,眼下全球相關業者的主要發展集中在錳或磷酸鐵的正極材料,以提昇其安全性,同時設法降低成本,使其售價能與平價鉛酸電池落差拉小。磷酸鋰鐵電池同時擁 有鈷鋰、鎳鋰和錳鋰的主要優點,但不含鈷等貴重元素,原料價格低,且磷、鋰、鐵存在於地球的資源含量豐富,不會有供料匱乏的問題。此外,工作電壓適中 (3.2V)、電容量大(170mAh/g)、高放電功率、可快速充電且循環壽命長,在高溫與高熱環境下的穩定性高,是目前產業界認為較符合環保、安全和 高性能要求的鋰離子電池。

不過,磷酸鋰鐵電池壓實密度相對較低、低溫性能欠佳,並且正極材料存在專利爭議。目前主要的3種技術和化合物分別由全球 3家業者掌握,包括源自美國德州大學的LiFePO4,以及另外兩種Nanophosphate和 NanoCocystallineOlivine(NCO)。

在此之際,位於中科的長園科技於2005年率先成功研發了比前者性能更優的氧化鋰鐵 磷電池(LFPO),係由賓州卡內基大學材料科學博士、美國康乃爾大學客座教授張惇杰一手主導。翌年,各式鐵系動力電池及大型儲能電池陸續開發成功。 2008年,台塑生醫十分看好此一電池的市場前景,遂與長園科技合資成立台塑長園能源科技。2009又與美國康乃爾大學合作共同開發出電動車,並成功開發 電動船電池模組系統。

長園科技成功的開發出氧化鋰鐵的正極材料,提高體積能量密度至260Wh/L以上,重量能量密度最高可到145Wh/kg以 上,且具有非常高的電導率,引起包括日本、歐美車廠高度關注,因為這是一款十分符合環保要求的新世代電池。長園科技開發之氧化鋰鐵磷產品,本身因製程不需 大量使用接著劑及助導劑,活性物質含量高,使得克電容量較高,以及在高溫下因鍵結較強,化學特性比較穩定、安全的優點。

磷酸鋰鐵正極材料成本普遍 居高,主因是因為鐵容易氧化,所以磷酸鋰鐵製程必須在密封爐中進行合成,另外還需加入惰性氣體,惰性氣體價格十分昂貴。尤有甚者,磷酸鋰鐵製程的溫度要求 到攝氏700度的高溫,除了更高的電費消耗外,另外在高溫下也容易使加入的碳產生變化,因而增加控制品質的難度。

長園科技的氧化鋰鐵磷 (LiFexMyPOz)正極材料,擁有美國專利(USPTO 7494744等),其主要為缺陷性(defective)的橄欖石結構氧化鋰鐵正極材料,不同於磷酸鋰鐵的結構,因此可以在空氣中燒結製造,並且可以用 較低溫度進行,甚至基本材料也可採用氧化鐵(如鐵鏽),而不用純鐵製造,使其成本遠低於其他同業。

台塑生醫看好其潛力

與 長園科技合作的台塑生醫之所以看好氧化鋰鐵磷,主要係因擁有八項優勢:1.高重量能量密度─大於100Wh/kg,遠優於鉛酸電池的40Wh/kg。2. 極高的充放電效能─一般只需鉛酸電池的十分之一的時間。3.優異循環特性─可循環使用至少2000次以上(仍保有70%的電量),最高具有循環使用 5000次的潛力。4.優異安全特性─在鋰系電池中安全性最高,無爆炸之虞。5.優異環保特性─水系製程未含有任何有毒性的成份,並符合歐盟RoHs的規 定。6.成本優勢─價效比優於鉛酸電池;鋰系電池中,鋰鐵電池的生產成本最低,氧化鋰鐵磷電池為最7.原料供應充足─主要取自氧化鐵,取之不竭。8.高充 放電效率─庫倫效率(指電池放電容量與同循環過程中充電容量之比)幾達百分之百,能量損失小。

氧化鋰鐵磷電池研發成功,不僅為電動車性能和安全性 帶至更高的樓層,其影響層面也十分廣泛,可望掀起新一波的能源革命。近年時興的太陽能和風力發電,整套設備中,儲存電力的電池扮演最關鍵的角色;氧化鋰鐵 磷電池高充放電效率,能將太陽能板或風力轉換成的電力完全儲存,即使是微弱光線及微量風所發的電力,也都能有效集電,並加以儲電。高充放電效率讓太陽能及 風力發電效能大為提高。

電力網雖無遠弗屆,但某些地廣人稀的地方,電力網還是到不了,太陽能和微型風力發電建構的自給自足住宅,目前是唯一,也最 可行的克服方法,藉由氧化鋰鐵磷電池儲電系統,帶給這些偏僻地區的住民莫大的便利。聯合國世界銀行共同援助非洲學童「一盞燈計畫」,便因氧化鋰鐵磷電池的 普及而能順利推動。

而此優良的特性亦可大幅提高不斷電系統的作業效率。特別是一些高精密實驗設備,遇無預警停電,辛苦的實驗成果頓時功虧一簣;若 干場合也常因無預警停電而危及公共安全。氧化鋰鐵磷電池成為公司行號預防無預警停電的利器,行政院原子能委員會核能研究所設置的30kWh儲能電池模組, 以及日本東京都府中幼稚園30kVA節能系統整合緊急電力設施,均採用氧化鋰鐵磷電池。


可望帶動第三次工業革命

除 此之外,內含氧化鋰鐵磷電池的中小型充電器,提供了愛好露營者夜晚照明最便利的電力,充電二、三個小時便足以供應一整個晚上的電力。同理,內含氧化鋰鐵磷 電池的大型充電器也能為夜間搜救或施工的照明提供可靠的電力。另外,餐車、路邊攤所需要的電力,不必再只能依賴會發出噪音及臭味的柴油發電機,內含氧化鋰 鐵磷電池的大型充電器,不占空間,隨時帶著走,十分便利。

未來,還有一個更具潛力的市場,目前各先進國家積極發展機器人產業,目前以工業生產線上 的機器手臂應用最為普及,隨著技術的不斷創新,下個階段則將進一步跨入各種用途機器人(諸如家事機器人、醫療機器人、保安機器人等等)的生產製造。機器手 臂可以使用固定電力網的電力,但機器人為保持機動性,必須使用有效率的電池,氧化鋰鐵磷電池是目前最好的選擇。

  因此,若將氧化鋰鐵磷電池視為第三次工業革命的領頭羊也不為過,只不過,氧化鋰鐵磷電池創新的應用,在台灣目前可能仍存在下列之問題:一、氧化鋰鐵磷電池 上下產業鏈未建立,使台灣空有優異的技術,而不能充分的發揮。二、不管是氧化鋰鐵磷電池的重要零組件,或是下游的電動車產品,在生產時必須有一定數量的支 持,才能獲得規模經濟的效果,台灣有待努力。三、氧化鋰鐵磷電池國際標準規範尚未建立。四、氧化鋰鐵磷電池或電動車與電池的產業聚落尚未形成。五、使用電 動車的配屬設備尚未完備,以及目前新產品價格過高,很難誘使消費者採用創新產品形成新的消費習慣。