越南新勢力崛起，挑戰特斯拉電動車帝國
各位車迷朋友大家好！最近電動車市場可謂是熱鬧非凡，繼特斯拉稱霸電動車市場多年後，一場新的戰役已經打響！2022 年 12 月，來自越南的 VinFast VF 8 City 型智慧電動車，載著 999 台的希望，乘坐貨輪抵達了舊金山，敲開了特斯拉的電動車帝國大門。
除了 VinFast 外，許多汽車大廠也摩拳擦掌，準備加入這場電動車市場的爭奪戰。而他們手中的秘密武器，正是自家生產的電池。難道特斯拉真的要跌下神壇了嗎？馬斯克拿出的決戰利器，竟然是過時的電池？
VinFast 背後，越南首富的雄心壯志
這一次吹響電動車戰爭號角的 VinFast，是來自越南的汽車製造商。這家野心勃勃的企業背後，有越南首富潘日旺 (Pham Nhat Vuong) 和他的集團 Vingroup 在撐腰。
VinFast VF 8 City 型智慧電動車的售價訂在 4.2 萬美元，與特斯拉新推出的 Model Y 5 萬 3 千美元價位相近，明顯就是衝著特斯拉而來的。但也不用太快下定論，畢竟美國的電動車市場可是一塊人人搶著要的肥肉。
電動車市場需求大增，充電站建設如火如荼
疫情過後，電動車市場的需求大增，許多車主甚至得排隊一年才能等到新車。美國政府在最近 5 年內更是支出超過 50 億美元，用在建設充電樁，目標是設立 50 萬座充電站。
除了 VinFast 外，通用汽車、中國的比亞迪等各家大廠，也紛紛宣布投入資源，進行電池自主研發，全心投入電動車市場。
掌握電池，才能掌握電動車產業的未來
想要在電動車產業佔有一席之地，掌握電池技術至關重要。因為電池佔了整台車 35% 到 40% 的成本，選擇不同種類的電池，會影響續航里程、充電效率和安全性。
就連狂人馬斯克，也多次更換特斯拉所使用的電池，原因就在於安全和成本的考量。
鋰離子電池，如何成為電動車的首選
曾經與電動車角逐未來環保車地位的還有氫能車。氫氣的分子量小，在燃料電池中的能量轉換效率也不錯，因此「理論上」氫燃料電池的能量密度是鋰離子電池的 150 倍。
但是以現在技術成熟度來說，明顯是鋰離子電池獲勝。不論是手機、電動車，還是大型儲電設備，到處都見得到鋰離子電池的身影。
但你知道嗎？在過去，鋰離子電池其實是一個不被看好的項目。
氫與鋰的競爭是勢必發生的，因為它們就是排在元素週期表最前面，原子序最小的元素。鋰的密度只有每立方公分 0.534 克，比水還要輕，代表在相同的重量下，可以放入更多的原子，攜帶更多的電量。
這邊要先說明一下，雖然我們常常稱它為鋰電池，但其實我們平常用的都是鋰離子電池，真正的鋰電池其實是一次性的電池，像是遙控器中的鈕扣電池，只要型號是 CR 開頭的，都是鋰電池，不是鋰離子電池，也不是水銀電池。
鋰離子電池的發展歷史：從實驗室走向商業化
回到鋰離子電池，1970 年代，英國化學家惠廷翰 (M. Stanley Whittingham) 發明了第一個可以充放電的鋰離子電池，它的單位重量的儲電效率遠超過當時的鉛蓄電池與鎳鎘電池。
在鋰離子電池中，金屬鋰會在負極丟下電子，以鋰離子的狀態移動到正極，並被特殊設計的二硫化鈦夾層捕捉，電路中的電子則會從負極流往正極，完成電路的循環。
但是這個鋰離子電池的負極使用的是純金屬鋰，當電池充電時，鋰離子會回到負極再結晶成金屬鋰，在這個過程中容易形成如同鐘乳石般的晶鬚。當晶鬚因為反覆充放電變得更長，甚至會戳破電池的保護層，導致短路爆炸。
好在後來美國的古迪納夫與日本的吉野彰，分別將正極材料換成了鋰鈷氧化物，負極換成了可以捕捉鋰離子的碳材料，整顆電池不再有純金屬鋰，只有鋰離子在電解液中移動，確保了安全性，讓鋰離子電池得以商業化。
這三位孕育出鋰離子電池的科學家，惠廷翰、古迪納夫與吉野彰，也在 2019 年抱回諾貝爾化學獎，實至名歸。
鋰離子電池的改良之路：從石墨烯到固態電池
在吉野彰將負極換成石墨烯等碳材料之後，至今沒有太大的變化，鋰離子電池最主要的改良，還是圍繞在正極材料的改變上。
我們習慣將不同的鋰離子電池，依照它的正極材料來命名，例如剛才提到的古迪納夫，將鋰離子電池的正極改為鋰鈷氧化物，因此被稱為鈷酸鋰電池。
電池發展到現在，陸續登上舞台的還有磷酸鐵鋰電池、磷酸鋰錳鐵電池、鋰鎳鈷鋁電池、鋰鎳錳鈷電池等等，種類好多。
三元電池與磷酸鐵鋰電池，哪種電池才是電動車的最佳選擇？
別擔心，種類很多，但你只要認識兩種電池就好，分別是三元電池和馬斯克最愛的磷酸鐵鋰電池。
三元電池是目前市面上可量產的產品中，能量密度最高的電池，也是現在電動車的電池首選。這個「三元」指的是正極材料中，除了鋰以外，還加進了鎳、鈷、錳三種元素，具有高容量、低成本的巨大優勢。
除此之外，材料學家發現，如果提高三種元素中的鎳含量，可以進一步提升單位體積的電容量，許多車廠推出的高鎳電池，鎳含量甚至會高達 80% 到 90%。這種高鎳三元電池的電容量可以高達每公斤 280 到 300 瓦時 (280~300 Wh/kg)。
相較之下，馬斯克最愛的磷酸鐵鋰電池，每公斤只有 140 到 150 瓦時 (140~150 Wh/kg)，只有三元電池電容量的一半。
馬斯克為何鍾情於磷酸鐵鋰電池？
那為何身為電動車龍頭的特斯拉，反而要選擇磷酸鐵鋰電池呢？
熟悉馬斯克最近推特大裁員風格的人，可能已經猜到了，沒錯！磷酸鐵鋰的成分，除了鋰以外，只需要常見的鐵跟磷，完全移除了昂貴的稀有金屬鎳跟鈷。
在俄烏戰爭爆發之初，由於俄羅斯是鎳的生產大國，導致鎳的價格在一個月內暴漲了 250%，大大增加了高鎳三元電池的成本負擔。
相對於三元電池，磷酸鐵鋰電池不僅成本低，安全性也較高。因此除了特斯拉，在 2022 年電動車銷售數量超越特斯拉的中國車廠「比亞迪」，也很愛使用磷酸鐵鋰電池。
比亞迪自行研發的「刀片電池」，用的就是磷酸鐵鋰電池，並且透過物理結構的改良，在不過多改變材料的情況之下，增加相同體積中的電容量。
鋰離子電池的極限：尋找更強大的電池技術
就像半導體發展現在也遇到了不少瓶頸一樣，鋰離子電池的極限，科學家預估大約就在每公斤 300 瓦時，三元電池也差不多摸到這條線了。而這個結果距離「完美」還有很大一段距離，因為汽油的能量密度可是每公斤一萬兩千瓦時，是鋰離子電池的 40 倍。
先別失望，就像次世代疫苗一樣，隨著科技進步，鋰離子電池也將進入次世代。
固態電池，下一代電池技術的曙光
2022 年 3 月，Gogoro 與台灣電池廠商輝能科技共同發表，將在 2024 年導入固態鋰電池，用固態電解質來取代傳統鋰電池中的液態電解液，不僅重量只有鋰電池的一半，去掉液態成分之後，更大幅減少漏液、燃燒的風險。更重要的是，固態電池的能量密度上看每公斤 500 瓦時，是三元鋰電池的兩倍。
以後車主們終於可以少換幾次電池了吧！想開電動車的車迷也可以期待，因為除了 Gogoro 以外，輝能科技也宣布結盟 VinFast，可望在電動車市場上掀起一波高能量密度的固態電池車風潮。
空氣鋰電池，挑戰能量密度的極限
這邊有個更好的消息，超越固態電池，能量密度可以逼近汽油的空氣鋰電池，已經在研發路上了。
空氣電池的負極使用鋰金屬，正極則替換為氧氣或二氧化碳，成為鋰氧氣電池 (Li–O2 Battery) 或是鋰二氧化碳電池 (Li–CO2 Battery)。因為用氣體取代了原先沉重的金屬正極，大大提高了相同重量的電容量。
雖然空氣電池仍在研發，而且一樣需要面對負極沉積時產生的晶鬚、安全等問題，但至少在過去 20 年，鋰電池遇到的困難已經多次被解決，電化學儲能的方式已經不再是不可能，而且是大有可為。
電動車市場的未來：百家爭鳴，競爭激烈
電動車這塊市場肥肉，當然不只有新興的越南 VinFast 和中國比亞迪在虎視眈眈，市場上可是百家爭鳴。根據標準普爾全球移動 (S&P Global Mobility) 的預估，特斯拉在美國市場的市佔率，將從 2022 年的 65% 一路下滑，到 2025 年只剩 20%。
話說回來，不論是市場上電動車的銷量年年攀升，還是各國政府、車廠的全力投入，電動車主導汽車市場的未來已經清楚可見。
展望未來：電動車的無限可能
未來會不會出現顛覆市場的電池，電動車，甚至是全新型態的交通工具呢？這很令人期待對吧！
當然我們也希望工業製程與材料可以繼續改革，終有一天，「電動車是否真的比較環保」這個問題，也能有個解答。
