〈工業技術與資訊〉全球搶進固態電池生態系

工研院開發出「高能量及高安全樹脂固態電池」。(圖: 工業技術與資訊月刊)
工研院開發出「高能量及高安全樹脂固態電池」。(圖: 工業技術與資訊月刊)

撰文/林玉圓

淨零碳排趨勢下,再生能源與電動車是各國重要綠能政策,但此兩大應用均仰賴更高規格的儲能系統,具有多方面優勢的固態電池成為儲能領域的聖杯,引發各國積極搶進,預計 5 到 10 年內將固態電池推向商業市場。臺灣在這項技術上也沒有缺席,從類固態的樹脂電池開始,預計 2030 年邁向全固態電池。

聯合國氣候峰會 COP26 對氣候變遷的警告言猶在耳,全球都在加速綠能與電動車的發展,以期盡快壓低溫室氣體的排放。根據國際再生能源機構(IRENA)最新《2021 年再生能源統計》報告,全球再生能源占比從 2011 年的 25.1%,成長至 2020 年的 36.6%,然而,再生能源具有間歇性、不易預測的特質,有賴儲能裝置維持供電系統穩定。

另一方面,在各國政策推波助瀾下,電動車也出現大幅成長。研究機構 Canalys 也預估,2021 年全球車市受疫情影響僅成長 4%,然電動車逆勢熱賣,年增 109%,若非車用晶片短缺,銷量還會更可觀。汽車電氣化時代可望提前來臨。

鋰電池市場翻倍 傳統技術逼近極限

不論是再生能源電網或電動車,最關鍵的技術就是儲能系統。目前全球儲能技術可分為三大類:機械式儲能(如抽蓄水力發電)、電化學儲能(鋰電池)、化學儲能(燃料電池),其中以鋰電池占 8 成以上,為市場主流技術。工研院估算,包括電動車輛及定置儲能系統在內,2021 年全球鋰電池需求量為 303GWh,2030 年將超越 1200GWh,增至 4 倍以上,市場規模相當可觀。

工研院材料與化工研究所組長陳金銘表示,目前的主流技術鋰離子電池,其能量密度已逼近 300Wh/kg 的物理極限,因此業界全力投入能量密度可達 500Wh/kg 的固態電池研發,尤其在電動車這樣的大眾消費市場,商業潛力將更快實現。傳統鋰離子電池主要構造包括正負極、液態電解液、隔離膜及結構殼體;其中電解液能夠快速傳導鋰離子,使得鋰電池能夠提供大電流應用 ,不過因其易燃,40 度以上的高溫便有安全及壽命銳減的疑慮,這也是為什麼電動車大廠特斯拉(Tesla)特別替 Model S 車款設計了嚴格的溫控系統,以確保電池使用的安全。

大廠布局固態電池 拚速度也要拚安全

解決鋰離子電池的能量極限及安全隱憂,業界轉向固態電池的研發,也就是以固態電解質來取代傳統鋰離子電池的液態電解液。早在 2012 年,蘋果就布局全固態電池專利,擬應用於平板、筆電及穿戴裝置。而全球車廠也積極搶進,例如福斯注資美國新創 QuantumScape 開發鋰金屬固態電池、BMW 與儲能新創 Solid Power 合作的鋰金屬固態電池預計 2025 年推出原型、2030 推出量產車款、賓士則攜手臺灣輝能及法國電池新創 Automotive Cells Company(ACC)研發電池芯及模組。

在全固態電池的賽局中,擁有電池材料優勢的日本,將研發與製程緊緊握在自家手中。豐田在 2020 年便將全固態電池搭載於純電概念車 LQ 上,接下來的目標是導入油電混合車及豪華車款 Lexus;日產於 2022 年 1 月宣布與雷諾汽車及三菱汽車合作,由日產負責研發全固態電池、雷諾主導電氣系統,發展正負極材料創新的全固態電池;本田則投資美國電池新創 SolidEnergy Systems,力拼鋰金屬固態電池的量產與研發。

臺灣的科技製造能量在全球數一數二,在電池產業也有許多指標性廠商,從正負極材料、電解液、到電池模組、電源管理及控制系統,均有布局,可惜受限經濟規模,大多以利基市場為主。進入固態電池時代,供應鏈的全新洗牌,將提供臺廠更好的發展契機,先進技術的研發投入,就是當前最重要的關鍵。

樹脂固態電池 改善電動機車性能

為協助臺廠爭取固態電池商機,工研院投入固態電池研發,在材料與設計/製程上均有突破,以樹脂固態電池、鋰金屬固態電池、全固態電池的階段性進程循序漸進展。陳金銘指出,目前工研院已成功開發出以「網狀聚醯胺環氧樹脂」(NAEPE)為電解液的「高能量及高安全樹脂固態電池」,離子導電度及電壓穩定性優異,可增加高能量電池的壽命及安全性,獲得全球百大科技研發獎(R&D 100 Awards)的肯定。此項技術應用於電動機車,電池芯能量密度達 320Wh/kg,較市場主流 21700 鋰離子電池的 260Wh/kg 性能更優異,不僅安全性提升,行駛里程及營運成本都改善 3 成以上。

下一階段的鋰金屬固態電池,是以鋰取代石墨做為負極材料,能量密度進一步提升,被視為下世代高能量密度電池中最重要的技術選項。陳金銘透露,工研院已開發出 350 至 400Wh/kg 的鋰金屬固態電池,同時為了提升安全性,也發展出抑止鋰枝晶的三重保護層技術。目前鋰金屬固態電池在全球各國仍處於初期研發階段,工研院已率先完成專利布局,為產業爭取固態電池下世代的發展優勢。

鋰電池獨領風騷數 10 年,後續還有再生能源從電網、家戶到工商儲能的龐大需求,在固態電池技術預計 2030 年商業化之前,臺灣產業若能成功整合軟硬體生態系、加速電動車的跨域布局,則很有機會延續在消費電子領域的成功基礎,在電力電子新時代爭得關鍵地位。

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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