電動車電池技術發(fā)展概況與趨勢

電動車電池技術發(fā)展概況與趨勢一、前言2008年石油危機甚囂塵上，因為原油的稀少性和高油價，全球興起一股能源創(chuàng)新風潮，再加上歐巴馬政策的加持，觸發(fā)全球綠能產(chǎn)業(yè)的興起，連帶讓低排汙、低油耗的電動車議題跟著炒熱了起來(陳柏基，2014)。南韓政府也推出相關政策(中央社，2014)，與該國汽車業(yè)者著手開發(fā)產(chǎn)製價格更為親民的電動車，希望能在2020年以前，將電動車產(chǎn)製成本壓在2萬7,900美元以下，而且單次充電至少能跑300公里。日本鉛蓄電池大廠GSYuasa也認為(MoneyDJ理財網(wǎng)a，2014)，電動車將在2020年成為汽車市場的主流。但是，要想大量生產(chǎn)電動車，就必須等待電池成本再降低及效能更佳時才有機會實現(xiàn)(MoneyDJ理財網(wǎng)b，1999)，因為光是電池，其成本就佔電動車售價比重將近六成。電池會是影響電動車成功推出市場最大的關鍵因素！因此，研製出能兼具高耐用性與低價的電池，對電動車非常重要。有鑑於此，本文以GSYuasa公司為例，瞭解國際大廠在電池技術上的專利發(fā)展現(xiàn)況，供國內相關廠商參酌。二、電動車電池發(fā)展概況基本上，在電動車電池技術這塊相關的研發(fā)議題包括安全性、再次充電時間、能量提供、環(huán)境溫度、電池性能極限與環(huán)保問題(許家興，2009)。而電池可以進一步區(qū)分為鉛酸、鎳鎘、鎳氫與鋰離子等不同類型，如圖一所示。鉛酸、鎳鎘、鋰鎳與磷酸鋰鐵等類型電池都會對環(huán)境造成污染，鎳氫與釷錳電池充電或儲能效率不佳，鋰鎳電池則是面對成本下不來的窘境。不過，自鋰離子電池問世之後，相關研發(fā)工作一直都在持續(xù)進行中，像是使用安全、環(huán)保與充儲電效率等等技術瓶頸相繼都有一些突破，讓鋰電池價格不斷下降?？梢哉f，鋰離子電池不斷在為全球電動車市場的發(fā)展奠定良好的技術基礎(人民網(wǎng)a，2014；國際在線，2014)；各大廠商力拼能讓每千瓦時電池價格降至臺幣9000元以內，就能讓純電動車價格降到汽油車的水準。圖一、電池類型資料來源：許家興(2009，第14頁)目前在鋰離子電池看到的新興發(fā)展(國際在線，2014)，如圖二所示，包括磷酸鋰鐵電池、石墨烯電池與SekisuiChemical成功研發(fā)的超薄鋰離子電池。現(xiàn)在電動車電池市場，以磷酸鋰鐵為正極材料的鋰電池最夯，被大量使用在日本、中國跟臺灣的電動機車或摩托車(電氣二輪車)市場中(綠能趨勢網(wǎng)，2011)，它改善了傳統(tǒng)鋰電池可充電次數(shù)與儲能效率，同時，也讓電池使用壽命從過去的1年，大幅拉長到5年以上。另外，石墨烯電池則是另一項新能源電池，它是以鋰電池為基礎，讓電極在石墨烯表面快速大量穿梭運動而生電。事實上，自2004年以來，石墨烯出現(xiàn)之後，全球各國競相投入這項明星級材料，像歐盟就投入10億歐元將石墨烯打造成未來新興技術旗艦項目(人民網(wǎng)b，2014)希望加速石墨烯的商業(yè)化應用；在電池這塊的應用，石墨烯的加入，大大改善了鋰離子電池充電儲能的效率，為鋰離子電池領域帶來革命性的技術進步。第三項最吸睛的新技術，就是去年(2013)日本SekisuiChemical成功開發(fā)的片狀可撓式超薄鋰離子電池(日經(jīng)中文網(wǎng)，2013)；這項技術能讓純電動車有機會實現(xiàn)1次充電就可以行駛600公里左右的理想，讓現(xiàn)在一次充電僅能行駛200公里左右的純電動車，有機會跨入汽油車水準，如果再搭配SekisuiChemical研發(fā)的特殊材料，更能讓電池生產(chǎn)成本有機會大幅降低。電池20080315161Endo;Daisuke2

P252/519.3H01B1/08電池20090208830Okabe;Kazuya2

P429/121H01M2/26電池20080166630Okabe;Kazuya2

P429/178H01M2/30電池20070042234Okuyama;Ryoichi2

P429/410H01M8/00電池20070285058Kuroda;Shinsaku2P

320/118H02J7/00電池20120181988Uchibori;Takuji2

320/134H02J7/00電池20100297478Mashiko;Wataru1PP429/7H01M14/00電池20090104527Ozaki;Tetsuya1PP429/218.2H01M4/02電池20090130557Fujita;Kohei1

P429/209H01M4/14電池20100086855Kohmoto;Mariko1

429/231.6H01M4/58電池20070269717Bandou;Toshinori1

P429/218.2H01M4/58電池20100178570Kozono;Suguru1PP429/338H01M6/16電池20070212577Okuyama;Ryoichi1PP429/410H01M8/06電池20070096688Suzuki;Isao1

P320/112H02J7/00資料來源：美國專利局專利資料庫；本文整理這163篇申請專利的技術落點，如圖四所示，領域主要聚焦在429上(化學：電流生產(chǎn)設備，產(chǎn)品和製程類技術，有124篇)，其次是29(金屬加工類技術，有32篇)與252(合成組構物相關技術，有16篇)?；旧?，GSYuasa從2007年就開始投入429這類技術的佈局，同時該類技術也是GSYuasa近幾年專利申請的主要領域，其中包括429/179(在電池外殼側邊設計具接線端點的結構，有26篇)、429/094(複數(shù)同心或單線圈電極，有17篇)與429/223(以鎳做為設計電極時使用的無機電化學活性材料，有9篇)都是GSYuasac常見的技術方向。圖四、一階美國專利分類(USPC)分佈狀況進一步把GSYuasa的PCT專利拿出來看，跟電池相關的專利有72篇，照明與環(huán)境相關技術則各有2篇。電池類專利技術主要落在429類，其中又以94、179與410(燃料電池的純化過程或裝置)等次分類最常見；重要發(fā)明人包括ToshiyukiNukuda(2008年開始參與，有17篇；研發(fā)重點放在429類技術，包括221、338、179與050等次分類)、TsutsumiMasakazu(2011年開始參與，有14篇)、SyunIto(2011年開始參與，有12篇；主要研發(fā)重點放在429/179類技術)、ManabuKanemoto(2009年開始參與，有12篇；近年研發(fā)重點放在429類技術，包括094、146、163、206、223等次分類)、TokuoInamasu(2008年開始參與，有11篇；近二年研發(fā)重點放在429類技術，包括056、221與231.5等次分類)、SasakiTakeshi(2011年開始參與，有11篇)與YoshitakeShinsuke(2011年開始參與，有11篇；研發(fā)重點放在429/179類技術)等人。四、結論從GSYuasa公司申請件專利分析結果來看，2009年之後，專利量開始大量成長，技術領域集中在429/179、29/623.1(電池製程)、429/94與252/182.1(電池電化學合成物)等四類，都有超過10件以上的專利。這些專利中，大約有五分之一的專利透過PCT方式申請，且這些PCT專利被其他專利引用的比例也相當高。重要的研發(fā)人以ToshiyukiNukuda參與的專利數(shù)量最多，這位發(fā)明人涉及的技術領域非常多元，最近幾年的研發(fā)焦點則較多放在以鐵做為設計電極時使用的無機電化學活性材料上；其次是TsutsumiMasakazu，他則比較專注在電池外殼側邊接點設計的議題。從新興技術這部份來看，美國專利局已經(jīng)有565件與磷酸鋰鐵電池(LithiumIronPhosphate；LiFePO4)技術相關的核準專利，而GSYuasa佔其中2篇(20090236564與20110068293)；而石墨烯電池(Graphene)這部份，美國專利局目前有445篇相關專利，但GSYuasa並沒有含括其中。從市場面訊息來看，RobertBosch、GSYuasa與三菱商事選擇在今年(2014)初宣佈合資設立新公司，是否反映全球電動車市場的春天真的要來了？！尤其，隨著TeslaModelS成功完成3,427英里的「不可能任務」之後(關鍵評論網(wǎng)，2014)，更是讓大家重新對電動車燃起新希望(蔣宛如，2014；黃郁文，2014；劉佳惠，2014)。以臺灣來說，或許可以先就公共運輸系統(tǒng)嘗試進行相關的導入計畫(李濠仲，2014；成熔興與張惠榮，2014)，以兼顧經(jīng)濟、環(huán)保與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，僅有臺中市率先推出無噪音油電公車(鄭敏鈴，2014)。另一方面，隨著歐盟委員會對排放標準管制日趨嚴格的帶動下(劉敏夫，2013)，全球市場對電動汽(機)車的需求只會愈來愈明顯。雖然，電動車仍存在許多難題，例如電池續(xù)航力仍是最關鍵需要克服的問題(博世，2013)，其他還包括一些跳脫電池本身，而是關於外部充儲電環(huán)境如何搭配的難題，總不能車開一開，想充電卻找不到可以充電的設備或充電站吧！不過，總的來說，持續(xù)看到一些不斷突破的創(chuàng)新成果，總令人感到希望；相信未來將會在更多研發(fā)人員投入鋰電池技術領域中，看到更多更新的突破與發(fā)展，讓純電動車更快走向普及化。同時，未來，應持續(xù)針對RobertBosch、GSYuasa與三菱商事等幾家公司專利申請狀況進行觀察與分析，從中瞭解國際電動車電池大廠相關技術研發(fā)進度，適時反饋給國內相關廠商參酌。(3516字；圖4；表1)參考文獻陳柏基(2014/2/12)，趨勢大師論壇－三大革命趨勢產(chǎn)業(yè)，參考網(wǎng)址：/newspapers/20140212000107-260203中央社(2014/2/10)，南韓研製電動車價格更親民，參考網(wǎng)址：/NEWS/BREAKINGNEWS/BREAKINGNEWS5/8475034.shtmlMoneyDJ理財網(wǎng)a(2014/2/13)，GS/Bosch攜手研發(fā)次世代鋰電池力求倍增EV行駛距離，參考網(wǎng)址：/newscontent.action?articleId=3433260MoneyDJ理財網(wǎng)b(1999)，電動車，參考網(wǎng)址：/kmdj/wiki/wikiviewer.aspx?KeyID=0baf3022-b3e8-43f6-8112-eaa77662d062許家興(2009)，電動車電池類型與電池基礎介紹，車輛研測資訊，第13-18頁。人民網(wǎng)a(2014/1/6)，年終預測：2014年電動車市場，參考網(wǎng)址：/n/2014/0106/c1010-24033900.html國際在線(2014/2/20)，2014電動汽車鋰電池產(chǎn)業(yè)將迎規(guī)模發(fā)展，參考網(wǎng)址：/gate/big5//45591/2014/02/20/7471s4431636.htm綠能趨勢網(wǎng)(2011/9/5)，導入磷酸鋰鐵電池的電動機車後市看好，參考網(wǎng)址：.tw/research/20110905-2269.html人民網(wǎng)b(2014/2/21)，全球石墨烯產(chǎn)業(yè)未來或超千億美元，參考網(wǎng)址：/gate/big5//world/2014-02/21/c_126169463.htm日經(jīng)中文網(wǎng)(2013/12/3)，日本研發(fā)出電動車行駛距離增3倍的電池材料，參考網(wǎng)址：/industry/scienceatechnology/7229-20131203.html鄧莉(2014/2/24)，博世目標將電動車電池容量擴大一倍，大洋新聞，參考網(wǎng)址：/html/2014-02/24/content_2547082.htm黃樑傑(2011)，2010年全球電動車產(chǎn)業(yè)回顧與展望，參考網(wǎng)址：.tw/chinese/03_service/03_02detail.aspx?pid=1716關鍵評論網(wǎng)(2014/2/11)，公路旅行不耗一滴油Tesla電動車76小時成功橫跨美國，參考網(wǎng)址：/post/24949/蔣宛如(2014/2/21)，電動車正夯，特斯拉股價大8.4%改寫歷史新高，今年來漲幅達四成，財訊快報，參考網(wǎng)址：.tw/article/20140221/11821762.html黃郁文(2014/2/20)，高油價時代來了電動車概念股夯，聯(lián)合理財網(wǎng)，參考網(wǎng)址：/NEWS/STOCK/STO2/8497218.shtml劉佳惠(2014/2/14)，郭臺銘：電動車產(chǎn)線若落地臺灣，臺中是首選，精實新聞，參考網(wǎng)址：/kmdj/news/NewsViewer.aspx?a=6b6f3e39-26de-44e4-bdb1-48b1ef1ec039李濠仲(2014/1/26)，挪威電動車滿街跑的城市，聯(lián)合新聞網(wǎng)，參考網(wǎng)址：/mag/life/storypage.jsp?f_ART_ID=496570成熔興與張惠榮(2014/2/24)，武漢黃標公交車年內退休新車長度縮短為10.5米，和訊網(wǎng)，參考網(wǎng)址：/2014-02-24/162424411.html鄭敏鈴(201