〈工業技術與資訊〉鋰電池價值鏈成明日之星

車用鋰電池。(圖:AFP)
車用鋰電池。(圖:AFP)

撰文/林玉圓

鋰離子電池商業化迄今 30 年,每年數以億計的手機、筆電等 3C 產品,加上電動車、綠能儲能等新興需求,推升鋰電池市場爆炸性成長。而鋰電池從材料、電池芯到電池組,進入各式產品,到功成身退的汰役電池降階使用,或報廢萃出有價材料,「從搖籃到搖籃」的循環經濟價值鏈,有機會成為下世代含金量最高的明星產業。

西元前 6 世紀,希臘學者發現靜電後,人類自此識得「電的存在」,直到 17 世紀才知「用電」。1745 年荷蘭發明的萊頓瓶(Leyden Jar)是第一個儲存靜電的裝置,以今天的標準來看,它僅是一次性放電的電容而非電池,卻開啟了電池技術的演進。從 19 世紀的碳鋅電池、鉛酸電池,到索尼(SONY)於 1991 年成功開發出的第一顆商用鋰離子電池,電池體積大幅縮小、續航力更強,也讓筆電、手機等 3C 產品更輕薄,一躍成為全球主流的儲能裝置。

鋰電池驅動數位生活 諾貝爾獎表彰貢獻

鋰離子電池成為今日數位生活的要角,其發展過程並非一夕到位,而是經過幾個階段的改良。1970 年代爆發石油危機,全球開始對電動車產生興趣,大型工業實驗室紛紛投入電池技術研發,以解決主流鉛酸電池續航力不佳的問題。埃克森實驗室的研究員威廷漢(Stan Whittingham)研發出採用鋰金屬為負極、二硫化鈦為正極的鋰電池,離子流動效果意外良好,可惜這種鋰金屬電池無法重複充放電,且有著易燃的缺點。

隨著石油危機告終,加上 1980 年代一宗鋰金屬電池導致手機燃燒事件,鋰金屬電池自此被打入冷宮。科學界仍鍥而不捨,持續改良,美國學者古德納(John Goodenough)以鈷酸鋰(鋰鈷)取代二硫化鈦,發現能夠儲存更多能量;日本學者吉野彰(Akira Yoshino)進一步將負極的純鋰更換為焦炭,終於讓鋰電池的易燃風險降低,性能依舊良好。為表彰鋰電池於人類生活的貢獻,2019 年的諾貝爾化學獎,將桂冠頒給了在鋰離子電池的演進上貢獻卓著的三位學者:威廷漢、古德納、吉野彰。

此後,鋰離子的正負極材料仍不斷演進,1990 年代的第一代鋰離子電池採用鈷酸鋰(鋰鈷 LiCoO2)、錳酸鋰(鋰鈷 LiMn2O4)等為正極,以碳/石墨為負極;2005 年低鎳鋰三元正極電池問世,應用於電動車;2018 年負極也在石墨中添加了矽氧碳等。2010 年商用磷酸鋰鐵(LiMPO4)電池問世,壽命更長、電壓更高;2008 年特斯拉採用鋰鎳鈷鋁正極的鋰電池在其第一款電動車 Roadster 上面;2016 年開始高鎳鋰三元正極被商業化應用,藉由提高鎳含量到 80%,降低鈷含量到 10%,不但增加正極材料電容量,也大幅提高電池的能量密度,並用於特斯拉電動車與儲能系統。

下世代鋰電池應用 電動車最大宗

隨著電動車普及、再生能源、智慧電網等應用推陳出新,鋰電池在能量密度、循環壽命、續航力、成本、安全等面向都須滿足更高規格的要求,也因此從汽車大廠、工業集團到新創公司,正全力投入下世代電池的研發。

工研院材料與化工研究所儲能材料及技術研究組組長陳金銘表示,下世代電池需求主要有兩大面向,一是定置式儲能,如家庭、工商、電網的儲能系統;二是移動式儲能,如電動車、電動機車、電動巴士等,其中又以電動車的爆發力最強、商機最大。以鋰離子電池技術而言,每回技術的躍進,意味著成本的降低,國際能源總署(IEA)估算,2020 年車用鋰離子電池組每度電成本約 105 美元,較 10 年前大降 9 成,到了 2030 年,每度電將進一步降至 70 美元,成本優勢已與燃油車相近,鋰電池將在運輸電氣化的過程中,扮演關鍵推手。

「鋰離子電池應用日趨多元,前景固然看好,但也存在著挑戰和限制,」陳金銘說,傳統鋰離子電池的能量密度有其上限,要再進一步提升,必須使用鋰金屬取代石墨做為負極。然而,鋰金屬在液態電解液進行電池充放過程中會生成鋰枝晶(Lithium Dendrite),穿過隔離膜觸及正極,易造成電池短路甚至爆炸。此外,鋰離子電池的電解液是液態有機溶劑,容易被火苗點燃導致安全問題;隨著充放電次數增加,電池壽命也深受影響。

固態電池儲能新希望 大廠爭相投入

在這樣的限制之下,固態電池就成了儲能領域的新希望。所謂的固態電池,即以固態電解質來取代液態電解液,增加高能量電池的安全性,使得固態電池能量密度達 450∼500Wh/kg,是傳統鋰離子電池的能量密度 180(鋰鐵電池)∼250Wh/kg(鋰三元電池)的 2 倍,並同時兼具高安全性與不漏液的優點,固態電解質可抑制材料反應,不易燃燒、並可延長電池壽命;固態電池較輕,相同電容量的固態電池,重量僅為鋰離子電池的一半。

由於電池技術將是未來電動車勝出的最大關鍵,固態電池新創公司包括 Quantum Scape、SES、Solid Power、Factorial Energy 紛紛獲得各大主要車廠,如賓士、BMW、福特、福斯汽車等的投資;而日本豐田(TOYOTA)、日產(Nissan)則是選擇自行投入固態電池研發,豐田更發出豪語,將在 2025 年推出搭載固態電池的車款。

鋰電池回收再用 實現淨零不可或缺

在追逐更高性能的下世代電池的同時,一場鋰電池「從搖籃到搖籃」的科技也正在發展中。彭博財經社預估,到 2040 年,全球三分之二的車輛是電動車,每部車搭載的電池系統,內含數百乃至上千個鋰電池芯,一旦電池續電力不足,或車輛報廢,所產生的鋰電池廢棄物可說是相當可觀。為解決廢棄鋰電池造成的環境問題,減少生產鋰電池所需的能資源耗用,鋰電池的回收再利用可說是淨零碳排不可或缺的一環。

為協助國內產業爭取下世代電池商機,工研院持續精進鋰離子電池材料,投入固態電池研發,採用特殊樹脂化合物的固態電池獲得 2020 年全球百大科技研發獎(R&D 100 Awards)肯定;在鋰電池回收與處理技術方面,工研院也開發出電池降階回用的解決方案,運用人工智慧控制放電負載,讓汰役的不同性能電池模組,有效組合成儲能系統;此外,針對報廢鋰電池,也開發出濕法提煉技術,將有價金屬回收再利用。

鋰電池解除了定置供電的束縛,造就 30 年來無所不在的數位生活,未來在科技持續精進下,還有機會讓人類從化石燃料的世界解放出來,邁向淨零碳排的願景。在此之前,我們必須建立鋰電池從生產、廢棄到再生的綠色循環,讓鋰電池的前世與今生,與人類的永續發展一樣,生生不息。

轉載自《工業技術與資訊》月刊第 361 期 2022 年 4 月號,未經授權不得轉載。


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《工業技術與資訊》月刊,現為工研院發行之全院性對外出版品,刊物發行於1991年,目前每期發行數量約為6,000份;對象含括全國具研發單位的中小企業、立法委員、政府官員、媒體等。

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