改搭耐高溫/固態(tài)電解質　鋰電池突破可撓式設計難關-瑞達國際集團

　　改搭耐高溫/固態(tài)電解質　鋰電池突破可撓式設計難關

　　可撓式鋰電池技術進展邁大步。鋰電池改搭固態(tài)電解質，不僅能改善傳統(tǒng)液態(tài)/膠態(tài)電解液容易外溢與高溫易燃的問題，亦可達成高撓曲度設計目標，迎合穿戴式電子產(chǎn)品對薄形、可撓及高安全性的需求，可望開啟新的應用商機。

　　鋰電池技術已發(fā)展20多年，但至今仍存在一個且唯一的問題是：有沒有更好的電池呢?隨著物聯(lián)網(wǎng)、穿戴式電子應用市場興起，鋰電池更面臨新的技術門檻--微小化，此一需求讓“可彎曲”鋰電池繼彎曲螢幕和彎曲面板之后，成為穿戴式或各類軟性電子裝置成功的最后關鍵拼圖。

　　與此同時，由特斯拉(Tesla)帶動成長的電動車(EV)熱潮，正面對頻繁的爆炸意外事故，導致鋰電池供應商須克服另一個無法回避的難題：鋰電池安全性。至于已成日常生活必需品的IT產(chǎn)業(yè)智慧型手機也在功能不斷增加整合下，突顯使用續(xù)航電力不夠、使用不便利的問題，這些新的發(fā)展需求皆刺激鋰電池技術革新。

　　滿足安全/可撓式設計固態(tài)鋰電池應運而生

　　因應上述設計挑戰(zhàn)，鋰電池廠商已提出固態(tài)鋰電池解決方案，可達成更輕薄、安全、潛在能量密度更高，且可以彎曲貼附在人體或各種曲面機構的特性，成為IT、穿戴電子制造商和車廠關注的目標。

　　固態(tài)鋰電池是指采用固態(tài)材料制作而成的技術，與現(xiàn)有技術最大的差異，在于將液態(tài)/膠態(tài)高分子電解液，改為固態(tài)電解質。目前市面上眾人皆知的鋰電池，因為采用液態(tài)/膠態(tài)高分子電解液，所以容易燃燒、漏液、高溫時會溶解、低溫時會鹽攜出，但固態(tài)電解質耐高溫、不可燃的特性，使其熱穩(wěn)定性高，不會有起火、爆炸或過熱等安全性問題，當然也沒有漏液的可能性，電池正負極亦不溶解或鹽攜出，具有極高度的安全性。

　　新型固態(tài)鋰電池正負極化學材料部分，則可與現(xiàn)有鋰電池技術共用，甚至因為改用固態(tài)電解質，而能實現(xiàn)一般鋰電池所無法使用的材料設計，如碳化矽(SiC)薄膜，或鋰金屬(Lithium-Metal)負極，具有可提升電池性能的優(yōu)勢。更重要的是，由于采用薄膜(ThinFilm)或厚膜(ThickFilm)的關系，使得固態(tài)鋰電池也具有高度的撓曲能力，可以反覆自由彎曲，成為穿戴式電子成功的最后一哩。

　　固態(tài)鋰電池可具有優(yōu)異的彎曲能力，適用于穿戴裝置及軟性電子。圖片來源：輝能科技

　　在制程部分，固態(tài)鋰電池亦有別于一般液態(tài)/膠態(tài)鋰電池的卷繞或堆疊制程，可采全平面印刷、涂布、沉積、或半導體濺鍍式生產(chǎn)方式;相較于卷繞制程所需耗費的大量人力，固態(tài)鋰電池人力成本相對低。

　　契合穿戴裝置/電動車固態(tài)鋰電池壯大聲勢

　　顯而易見，固態(tài)鋰電池“更薄”、“可彎曲”、“更安全”、“使用壽命更長”、“設計彈性更大”的諸多優(yōu)勢，在IT及穿戴式電子設計上極具價值。相較于現(xiàn)有鋰電池最低只能做到約2毫米(mm)厚度，固態(tài)鋰電池可發(fā)揮其超薄(<1mm)及可彎曲的優(yōu)勢，使電子裝置厚度薄型化、外觀可撓曲化，設計上不再受制于傳統(tǒng)鋰電池機構和厚度的限制，讓設計師/工程師設計上更彈性、自由。

　　此外，固態(tài)鋰電池極度安全，不起火不爆炸，安全性大幅超越現(xiàn)有鋰電池技術，使用者再也不用擔心身上的電子裝置會漏出黏液到手上，或口袋里的智慧手機會突然自燃。再者，材料作用時因離子本身不移動的關系，不可逆反應大幅減少，電池壽命更具提升的潛力。

　　在動力應用價值上，固態(tài)鋰電池主要貢獻則在于安全性的提升。例如特斯拉2013年發(fā)生的三起火燒車事故，以及比亞迪電動計程車2012年起火事件，最后燒成骨架，同時釀成三人當場死亡的案例，至今仍記憶猶新;為因應電動車的安全性議題，國際廠商相繼跨越中下游，直接投入上游零組件的固態(tài)電池研發(fā)行列，通用汽車(GM)和豐田(Toyota)等主要的汽車制造商，皆已認定固態(tài)鋰電池是未來電動車的關鍵零組件。

　　固態(tài)鋰電池轉向非薄膜材料發(fā)展

　　固態(tài)鋰電池發(fā)展之初大多為薄膜電池，2010-2011年全球產(chǎn)量約一百五十萬顆電池芯左右，以IPS(InfinitePowerSolutions)這家廠商的市占率最高，約達到60%以上，標準品單電芯的電容量為0.7-1毫安時(mAh)。同一時期，韓系廠商GSNanoTech也積極研發(fā)固態(tài)薄膜電池，并已于2010年導入產(chǎn)能達70萬顆電池芯的量產(chǎn)線，主要供應特種的安全卡片。

　　矢野經(jīng)濟研究院推估，2011年間，上述兩間廠商合計的市占率高達80%，但2012-2013年薄膜電池市場需求趨緩，GSNanoTech的母公司GSCaltex見收益困難，遂解散GSNanoTech;而IPS也難逃大環(huán)境的改變，于2014年出售公司。至此，固態(tài)薄膜電池逐漸淡出市場，探究衰退原因主要系成本太高、充放電問題，以及電池芯容量太低。

　　近期崛起的固態(tài)鋰電池制造業(yè)者，大都采用非薄膜材料，并致力于電容量之提升。部分廠商也已成功量產(chǎn)，并導入3C配件、智慧顯示卡(SmartDisplayCard)、或無線射頻辨識(RFID)的相關應用，前景看好。

　　各國競逐固態(tài)鋰電池臺廠技術研究成果亮眼

　　固態(tài)電池的超薄、可撓曲、超安全及高度熱穩(wěn)定特性，逐漸在市場上嶄露頭角，并獲得國際大廠的肯定與青睞，朝取代現(xiàn)有鋰電池技術的方向快速發(fā)展。

　　不過，由于固態(tài)電池存在著一個先天上鋰離子導電度較低的障礙，也就是固態(tài)電解質不能夠像液體電解液一般那樣快速地傳導鋰離子，內(nèi)阻值較液態(tài)電池高，而導致固態(tài)鋰電池的充放電能力不如液態(tài)電解液的鋰電池。因此，固態(tài)鋰電池接下來發(fā)展的主要任務，將聚焦幾個層面，包括降低介面阻抗值，以及因應商品化的低成本大量生產(chǎn)技術。

　　目前投入固態(tài)鋰電池開發(fā)的國家當中，日本具備完整且數(shù)量較多的產(chǎn)學研開發(fā)體系，韓國有SamsungSDI等大集團與大學院校的參與，美國則較集中于極板結構設計與制程方面。至于臺灣是法人、大學院校與廠商均有投入，盡管投入的數(shù)量較其他國家少，但研發(fā)成果卻遙遙領先國際，不論是在產(chǎn)品規(guī)格電性上，或是在商業(yè)化程度上，都成為國際眾多競爭對手和潛在競爭對手的標竿。

　　其中，輝能科技已于2014年底成功將其固態(tài)鋰電池產(chǎn)品的介面阻抗降低一半以上，使其充放電能力近乎一般的液態(tài)/膠態(tài)鋰電池，并同步開始著手進行全線制程卷對卷生產(chǎn)的制造技術，準備邁向大量商品化，以提高在固態(tài)鋰電池市場的占有率。

　　在未來策略上，全球固態(tài)鋰電池技術有機會在輕薄化設計、大容量與單電芯應用、可撓式及超高能量密度電源設計等方面大展拳腳，并廣泛應用于3C產(chǎn)品、穿戴式電子、軟性電子、物聯(lián)網(wǎng)、電動車、工業(yè)應用、智慧醫(yī)療、特殊安全性需求等產(chǎn)業(yè)，進而取代現(xiàn)有一般鋰電池技術，成為次世代電池。