電動汽車的發展困境

2008 年開始全球原油價格高漲，再加上溫室效應嚴重，世界各國才發始警覺，汽車的引擎實在是個大污染源，有人開始發展使用電池動力的電動車，但是早期因為沒有合適的二次電池，所以一直很難讓消費者接受，在這裡我們先整理一下早期電池技術的困難：

➤鉛蓄電池的價格最低，但是體積能量密度（每公升可以儲存多少能量）太低，續航力不足，必須用很大的電池才能儲存足夠的電能，因此實用性不高。

➤鎳氫電池的能量密度比較高，但是仍然不夠高，而且陰極使用的儲氫合金多為貴重金屬價格也高，雖然可以應用在汽車，但是仍然困難重重，例如：全球第一台成功上市使用新電池的汽車，應該算是豐田（Toyota, 7203-JP）汽車公司生產的 Prius，這是結合汽油引擎與鎳氫電池的複合動力（Hybrid engine）車，但是仍然由於大容量的鎳氫電池售價太高，造成銷售量受到限制。

➤鋰離子電池或聚合物鋰電池是目前能量密度最高的電池，但是價格太高，比較適合應用在小型電子產品，應用在大容量的電池上仍然有所限制，例如：全球第一台成功上市使用鋰電池的電動車，應該算是 TESLA (TSLA-US）公司生產的 Model S，但是仍然由於大容量的鋰電池售價太高，造成銷售量受到限制。

陰極材料（正極材料）

傳統的鋰離子電池所使用的陰極材料鋰鈷氧化物（LiCoO2）、鋰鎳氧化物（LiNiO2）、鋰錳氧化物（LiMn2O4）成本較高，這些陰極材料的金屬元素中，鈷價格最高，而且地球儲存量不多，鎳、錳比較便宜，但是仍然不夠便宜。而鐵（Fe）是最便宜的材料，因此 1996 年開始，日本的 NTT 公司首次發表使用鋰鐵鈷氧化物（LiFeCoPO4）做為陰極材料。

1997 年美國德州大學 Goodenough 等人首次發表使用鋰鐵氧化物（LiFePO4）做為陰極材料，稱為「磷酸鋰鐵電池（LFP：Lithium Ferrous Phosphate）」，由於完全不使用鈷，不但解決鈷在地球儲存量不多的問題，也可以降低價格，而且鐵對環境的污染也最低，因此愈來愈多廠商看好磷酸鋰鐵電池在汽車上的應用。

磷酸鋰鐵電池的原理

➤放電：陽極材料（鋰離子嵌入石墨）放出電子與鋰離子（Li＋），電子流入元件可以推動元件工作，鋰離子則經由高分子聚合物薄膜到達陰極材料（磷酸鋰鐵），如＜圖一（a）＞所示，最後鋰離子與電子在陰極結合。

➤充電：外加電壓使陰極材料（磷酸鋰鐵）放出鋰離子（Li＋），鋰離子經由高分子聚合物薄膜回到陽極材料（鋰離子嵌入石墨），恢復原來的狀態，如＜圖一（b）＞所示。因為放電和充電時造成鋰離子來回移動，所以這種電池為「鋰離子電池」。

圖圖一、磷酸鋰鐵電池的原理。

磷酸鋰鐵電池的特性

➤可以輸出高電壓高電流：磷酸鋰鐵電池的標準放電率為 2～5C，連續高電流放電率可達 10C，瞬間脈衝放電率可達 20C，換句話說，磷酸鋰鐵電池可以大電流放電。

➤工作溫度範圍大：當外部工作環境溫度為 65 度 C 時，電池內部溫度高達 95 度 C，電池放電結束後溫度高達 160 度 C，但是仍然可以保持電池的結構安全。

➤使用安全性高：當電池內部或外部破裂，仍然不燃燒、不爆炸，也不會因為過度充電或放電及短路等操作不當而引起燃燒或爆炸，這是其他鋰離子電池沒有的特性。

➤過度充放電也不會損壞：過度充電或放電仍然保持不洩漏、不損壞，這是其他鋰離子電池沒有的特性。

➤使用壽命長：經過充放電 500 次以後，電池容量仍然大於 95% 以上。

➤可以快速充放電：能夠大電流快速充放電，電化學穩定性高。

➤材料成本低：鐵（Fe）是便宜的材料，所以磷酸鋰鐵電池的材料成本低。

➤環境污染輕微：鐵對環境的污染輕微。

➤能量密度有待提升：磷酸鐵鋰電池的能量密度只有傳統鋰離子電池或聚合物鋰電池的 60～70% 左右，能量密度有待提升，不過比起鎳氫電池能量密度仍然提升了 70% 以上，讓應用的範圍更廣。

磷酸鋰鐵電池的應用

由於磷酸鋰鐵電池具有上述優點，酸鐵鋰電池的能量密度只有傳統鋰離子電池或聚合物鋰電池的 60～70% 左右，不適合應用在重視體積小的電子產品，而適合廣泛地應用在其他產品，包括：

➤大型電動車輛：公車、電動汽車、遊覽車、複合動力（HSD）車等。

➤輕型電動車：電動自行車、高爾夫球車、小型電動滑板車、堆高機、清潔車、電動輪椅等。

➤電動工具：電鑽、電鋸、割草機等。

➤遙控玩具：汽車、船、飛機等遙控玩具。

➤能量儲存設備：太陽能及風力發電的能量儲存設備。

➤緊急電力系統：不斷電系統（UPS）、緊急照明燈、礦燈（磷酸鋰鐵電池不燃燒、不爆炸安全性最好）。

➤攜帶型設備：小型醫療儀器設備、攜帶型儀器。

磷酸鋰鐵電池的產業現況

磷酸鋰鐵電池最上游的化合物專利由三家專業材料公司掌握，包括：A123（已破產）公司的 Li1-xMFePO4、Phostech 公司的 LiMPO4、立凱（5227-TW）公司的 LiFePO4-MO，同時也已經發展出十分成熟的量產技術。這些上游材料的突破與發展，帶動了鋰電池與油電混合車產業的成長。

由於磷酸鋰鐵電池和一般鋰離子電池比較起來，完全沒有過熱或爆炸等安全性顧慮，充放電次數是大約 4～5 倍，放電率大約 8～10 倍（可瞬間產生大電流），包括：通用汽車（General Motors, GM-US）、福特（FORD, F-US）汽車、豐田汽車等業者都高度重視磷酸鋰鐵電池的發展。

A123 公司甚至獲得了美國政府數千萬美元的補助，希望扶植美國的鋰電池業者，利用油電混合車的發展擊敗遙遙領先的日本汽車業者。

美國汽車產業預估 2010 年全美的油電混合車將超過 400 萬輛，美國通用汽車在 2007 年公開展示插電式油電混合動力車（PHEV：Plug-in Hybrid Electric Vehicle）的概念車「Chevrolet Volt Concept」，只要接上一般家用電源就可以為磷酸鋰鐵電池充電。

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀，與產業現狀可能會有差異，若您是這個領域的專家想要提供意見，請自行聯絡作者；若有產業與技術問題請參與社群討論。

 

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