電動車產業的明日之星：續航1000km氟離子電池

 

Paco de Lucía Concierto Aranjuez - Adagio

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【摘要2022-12-01五.中時】美隨著電動車潮流快速發展，鋰電池的原料與製造已成為目前電動車業的核心競爭力。中國目前在全球鋰電池具有獨霸性的主宰力量，不過其他國家的科技人員並沒有放棄，他們在氫能源電池暫居下風後，又開闢了多種新電池材料研究，目前以氟離子電池最被看好。

它的原料來源豐富，儲電能力是鋰電池的6~7倍以上，可讓電動車續航能力達1000公里，已有多家大企業投入研究，同時還運用超級電腦與機器學習參與開發。

在電動車市場剛開始快速成長之際，車用電池的能力已成為電動車最重要的性能。目前車用動力電池主流是鋰電池，在全球車用鋰電池市佔率前10名有6家是中國企業，全球超過一半的車用鋰電池是中國所生產。不只是市佔率，中國企業在鋰礦的投資也同樣令人側目，陸企在非洲、南美洲、澳洲各地搶佔鋰礦資源，讓許多國家汽車業者擔憂未來礦源被中國所掌控。

不過這樣的狀況可能很快就會有戲劇化的轉變。包括日、中、美、英等國已有不少業者研究機構已投入氟離子電池的開發，它的電極結構較鋰電池更簡單，充放電反應效率更高，體積小、重量輕，原料來源約為鋰元素的50倍，價格較鋰電池使用的鋰、鈷便宜很多，製造過程也不需要稀有金屬，不存在資源瓶頸問題。

在眾所關切的安全性問題上，由於氟元素電負性極強，氟離子很難形成相應的單質，因此安全性比使用有機液體電解質的鋰離子電池高出許多。

另一個關鍵的問題則是能量密度，氟離子電池的能量容量是鋰電池的6~7倍以上，充飽一次可續航超過1000公里，甚至比現在的燃油車加滿油的航程更大。

目前開發進程比較領先的是日本京都大學，他們在2017年利用液態電解質開發出能在室溫下工作的氟離子電池，取代了先前要150℃工作溫度的固態電解質氟離子電池。2020年京都大學與豐田汽車合作試製了車用氟離子電池原型，成效令人鼓舞，預料數年之內就可能會成為鋰電池的強勁對手。

在中國方面，已公開的研究有2021年底中國科技大學馬騁教授團隊設計出鈣鈦礦氟離子導體的固態電解質電池，首次實現室溫下全固態氟離子電池的穩定長時間循環，在25℃下持續充放電4581小時後，容量沒有發生顯著衰減，此一成果雖然尚未能趕上鋰電池的效能，但是對未來氟離子電池耐用性研究也很有意義。

日本立命館大學的岡崎健一教授今年9月發布的研究則是，針對電極材料與電解質最佳組合，試圖找出充放電效率高於鋰電池的搭配機制。

為了挑選出氟離子電池使用電極與電解質材料的最佳配置，美國北卡羅萊納州大學教堂山（Chapel Hill）分校史考特．華倫（Scott Warren）實驗室設計了一種使用超級電腦的機器學習方法，該方法可以快速準確地計算出氟離子在任何已知的含氟晶體中移動的難易程度。

研究人員以分層運算方法來篩選14萬種已知材料的數據庫，並模擬出上萬種氟離子化合物及相關材料的電傳導效能，目前已找到一種材料是含氟化物的鋅鈦化合物ZnTiF6，有希望用作氟離子電池的電解質，實驗室甚至將它申報了專利。

美國北卡羅萊納大學的這項研究還有另一個意義，即新的材料與產品的研發進程在超級電腦與AI機器學習的輔助下，將不需要像以前實驗室一樣將所有已知的候選方案進行人工試驗，在超級電腦與AI輔助下，能使研究進程與速度提高到過去難以想像的程度。過去需要數年時間才開發得出來的新材料，未來可能只要數個月就能完成，因此新的車用動力電池可能比我們想像的更快進入商用階段。

還有部份人士提出，氟離子電池雖然安全性與蓄電容量有長足進步，但充電效率仍然偏低，充電仍需要較多時。這個問題並不令人擔心，畢竟比起電容量與安全性來說，這不是難解的問題。目前毫無疑問的是，氟離子電池一旦商用化，將使電動車市場為之震撼，燃油車將加快速度退場，這對推進全球減碳目標將有極大的效用。