2021-03-12Photo: 圖片由作者提供
【電動車大戰】次世代電池規格競賽！固態電池美日爭霸，主宰未來電動車市場格局！
全球各大車廠爭奪電動車市場，無不著眼於改良電池技術。一輛電動車的生產成本，鋰離子電池（Lithium-ion Batteries）已佔去35％左右。如電動車要賣得比燃油車更便宜，便非要壓低電池成本不可；加上鋰電池無論是安全性或續航力均有所不足，因此業界積極尋求替代方案，當中以固態電池（Solid-state Batteries）最被看好。日本車廠豐田汽車（Toyota）早已押注於固態電池技術，美國電池初創企業QuantumScape專注於固態電池研發，力求後來居上。很明顯，固態電池已成為電動車領域的最新戰線。
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未來電池固態取代液態
現時電動車所用的鋰電池屬於「液態電池」，內裡要注入膠狀電解質（電解液），才能發揮電池性能。液態電池的弱點是操作環境溫度過高或過低，都會影響電池效能；就算是使用快充模式，至少要30分鐘始可充飽電，而且續航力頂多有300至400公里。另外，電解液也有外漏的潛在危險，易招起火意外，過往曾發生多宗電動車自焚事故。
為解決上述問題，有科學家構想出，以固態電解質來替代電解液，製成「固態電池」。這種固態鋰電池採用鋰、鈉製成的玻璃化合物作傳導物質，不但能夠提升電池的能量密度，讓充電時間可縮短至10分鐘，又能夠在零下25℃低溫至60℃高溫環境正常運作。更重要的是，固態電池不會因隔離層破損，正負極接觸而產生短路爆炸，令起火風險大幅降低。
日斥千億助固態電池研發
近年，各國政府陸續推出政策扶助新能源產業，尤以日本政府最為積極。首相菅義偉於2020年12月宣布，為實現2050年達到碳中和的目標，決定創設2兆日圓（約1,400億港元）規模的減碳技術基金，對從事固態電池、氫能技術，或其他減碳科技研發的企業提供援助。於是，當地各大車廠與電池企業紛紛投入固態電池研發，其中以豐田跑在前頭。
早於2008年，豐田已開始跟固態電池初創企業Ilika展開合作。2014年，豐田表示已積極進行固態電池的研究工作，並已獲取多項相關的技術專利。2017年，該公司宣布跟松下（Panasonic）合作，攜手開發固態電池技術。
2019年，豐田又聯合本田（Honda）、日產（Nissan）、松下等，共同成立日本固態電池研發聯盟，集中資源發展固態電池相關材料與技術，希望在2030年可將電動車續航力提高到800公里左右。
豐田汽車將會在2021年東京奧運提供具備自動駕駛功能的電動車e-Palette，專責接送運動員和比賽相關人員往返選手村。（圖片來源：Toyota官網）
豐田固態電池車2025上路
豐田原擬於2020年東京奧運上展示固態電池原型車，但受到新冠疫情拖累，被迫把計劃推遲到2021年。據悉，豐田固態電池車的續航力達500公里，使用快充只需10分鐘即能充飽電，預計於2025年開始量產。
2021年3月初，豐田宣布將首度發行「ESG（Environmental, Social, Governance）」債券，規模最高達 5,000億日圓（約358億港元），以籌集電動車與智慧城市的研發資金。根據豐田的規劃，2025年全球新車銷售中會有50%以上是電動化車款（包括純電動車、混合動力車），估計銷量達550萬輛。
為配合豐田等車廠動向，日本材料廠亦加快建設生產線，希望趕及在2021年開始生產固態電解質。三井金屬（Mitsui Kinzoku）計劃在埼玉縣興建一座試驗性廠房，試產固態電解質。出光興產（Idemitsu Kosan）亦擬於千葉市的工廠，設置固態電解質的生產設備。
豐田表示，成功製造出固態電池的原型產品，已安裝到概念車上進行測試，並計劃在2021年推出固態電池原型車，2025年開始投產，希望成為全球首家量產固態電池車的廠商。（圖片來源：Toyota官網）
豐田宣布，將會發行規模達5,000億日圓的「ESG」債券，籌得的部分資金將用於建設「Woven City」智慧城市，所以此債券將命名為「Woven Planet 債」。（圖片來源：Toyota官網）
QuantumScape嶄露頭角
美國各大車企亦看好固態電池的發展潛力，紛紛投資固態電池初創企業如Solid Power、Solid Energy Systems、QuantumScape（QS）等。獲得福士汽車（Volkswagen）3億美元（約23.4億港元）融資的QS，近期最受市場關注。
該公司成立於2010 年，除福士汽車外，也得到微軟創辧人比爾·蓋茨（Bill Gates）的注資，讓公司得以逐漸成長；及後，特斯拉（Tesla）前科技長兼共同創辦人史特羅貝爾（JB Straubel）加入其董事會，並揚言QS可能會顛覆電動車電池市場的遊戲規則，使公司聲勢更盛。
2020年11月，QuantumScape透過與「特殊目的收購公司」（SPAC）合併而上市，掛牌後股價一路上揚，市值一度高達469億美元（約3,655億港元），竟然比福特汽車（Ford Motor）的市值（350億美元，約2,730億港元）還要高。
QuantumScape之所以市值大漲，全因宣稱成功研製出新型固態電池，並於2020年12月發表最新的試驗結果。根據官方資料，其固態電池既可在15分鐘充電至80％電量，又可在經歷800次的充電後保持有80%的儲電能力，還可在零下30℃正常操作。
一塊單層QuantumScape固態電池跟卡片幾乎同等大小。（圖片來源：QuantumScape官網）
QuantumScape固態電池是包含陰極材料、可撓式陶瓷隔膜（flexible ceramic separator）。充電時，鋰離子會離開陰極，通過陶瓷隔膜，沉積在隔膜和一個電子接觸面之間，在電池內部形成鋰金屬陽極。（圖片來源：QuantumScape官網）
技術獲諾貝爾獎得主肯定
QuantumScape固態電池設計的獨特之處是，沒有加入陽極材料。傳統鋰電池由陽極材料、陰極材料、電解液、隔膜所組成。一般固態電池以固體電解質，取代了電解液與隔膜，作為傳導鋰離子的介質，但仍需保有陽極與陰極材料；QS則把陽極材料也去掉，電池內只有陰極材料與固態陶瓷隔膜，令電池體積得以進一步縮減。因此，QS固態電池跟卡片幾乎同等大小，並能以更低成本提供更多高的儲電效能。
這項研發成果不但受到比爾·蓋茨等投資者的支持，更獲得2019年諾貝爾化學獎得主Stan Whittingham的肯定，認為這是真正的電池技術突破，因而令資本市場對QS信心大振。
然而，QuantumScape從未向外界展示過實際產品。一顆電池單元需要由100塊單層QS固態電池堆疊而成，一輛電動車便要用上數百顆電池單元，惟QS卻沒有提供一顆完整堆疊電池的測試資料。當市場冷靜下來後，愈來愈多人對其電池技術持懷疑態度。這種懷疑亦已反映在公司股價上——從2020年底到現在，股價已跌掉一大半，市值大幅降低至190億美元（約1,482億港元）左右。
QuantumScape的電池技術看似不俗，但製作出來的固態電池卻從曾未走出實驗室，目前所披露的測試數據亦只是基於單層電池測試的結果；日後如要進行大規模量產，製成品的實際效能仍有待考證。（圖片來源：QuantumScape官網）
福士汽車與QuantumScape攜手成立了一家合資公司，負責生產QS固態電池，預計在2025年應用於福士電動車上。（圖片來源：Volkswagen官網）
固態電池可顛覆特斯拉？
儘管不少業界人士認為，固態電池將會是下一代的主流電池規格，可是特斯拉創辦人兼執行長伊隆·馬斯克（Elon Musk）卻不看好固態電池。在第三季業績發布會上，馬斯克向分析師指出，只是為了減省電池空間，就把傳統陽極拿掉，「並不像聽起來那麼好」。不過，馬斯克對固態電池技術的質疑，可能跟特斯拉本身的電池技術有關，因為Tesla車款使用圓柱形電池，較難改用固態電解質。
觀乎QuantumScape的發展藍圖，該公司未有考慮如何在2026年前獲取任何實質收入，即是採取「放長線，釣大魚」策略——往後幾年只會埋首於產品研發，不急於創造營收，目標是2025至2026年之間開始量產。假如QS真的能夠製造出完整堆疊電池，並進行大規模生產，或許會對特斯拉帶來極大衝擊！
至於豐田，可能才是當今擁有最先進固態電池技術的廠商。目前Toyota已握有逾千項的固態電池專利技術，並計劃在2025年前量產固態電池車，加上有日本政府與當地供應鏈的支援，確可被看高一線。業界普遍認為，固態電池真正普及的時間應是2025至2030年。如果馬斯克察覺到形勢不妙，要改變電池技術策略，還是有足夠時間的。
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