鋰離子電池競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手來勢(shì)洶洶

全球綠能運(yùn)動(dòng)如火如荼展開，與綠電相關(guān)的鋰離子電池重要性不言可喻。鋰離子電池多年來主要應(yīng)用于電子產(chǎn)業(yè)，如電動(dòng)車、油電混合車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)自行車、中大型 UPS、太陽能、大型儲(chǔ)能電池、電動(dòng)手工具、航天設(shè)備與飛航用電池等，鮮少應(yīng)用于大規(guī)模儲(chǔ)能和動(dòng)力電池市場(chǎng)。不論是再生能源電網(wǎng)或電動(dòng)車領(lǐng)域，關(guān)鍵技術(shù)當(dāng)屬儲(chǔ)能系統(tǒng)。全球儲(chǔ)能技術(shù)可分機(jī)械式儲(chǔ)能（如抽蓄水力發(fā)電）、電化學(xué)儲(chǔ)能（鋰離子電池）及化學(xué)儲(chǔ)能（燃料電池）等三大類，其中，鋰離子電池占比逾80%，仍為主流技術(shù)。市場(chǎng)預(yù)估，2021年全球鋰離子電池需求量為303GWh，包含電動(dòng)車及定置儲(chǔ)能系統(tǒng)在內(nèi)，2030年將超越1,200GWh，增至4倍以上。

電動(dòng)車跳躍成長(zhǎng)帶動(dòng)鋰離子電池需求
日本矢野經(jīng)濟(jì)研究所(Yano Research Institute)報(bào)告指出，xEV(電動(dòng)車EV、插電式油電混合動(dòng)力車PHV、油電混合動(dòng)力車HV)市場(chǎng)成長(zhǎng)將擴(kuò)大車用鋰離子電池需求，2022年全球車用鋰離子電池市場(chǎng)規(guī)模預(yù)估達(dá)443GWh，其中，EV用鋰離子電池市場(chǎng)規(guī)模預(yù)估年增18.9%，市場(chǎng)占比達(dá)89.7%，PHV用市場(chǎng)年增26.8%，HV用市場(chǎng)年增3.1%；預(yù)估2025年市場(chǎng)規(guī)模將突破800GWh，其中，EV用市場(chǎng)規(guī)模預(yù)估達(dá)726.9GWh，占整體規(guī)模的89.9%；預(yù)估2030年全球車用鋰離子電池市場(chǎng)規(guī)模將突破1,000GWh，其中，EV用市場(chǎng)規(guī)模占比近90%。

不只如此，日本市調(diào)機(jī)構(gòu)富士經(jīng)濟(jì)(Fuji Keizai)預(yù)估，包含乘用車及新車在內(nèi)，2035年全球EV/PHV/HV市場(chǎng)規(guī)模將擴(kuò)大至4,919萬臺(tái)，與2020年相較，暴增約740%，全球EV銷量可望增加10倍之多。電動(dòng)車市場(chǎng)的跳耀式成長(zhǎng)，帶動(dòng)旺盛的鋰離子電池需求動(dòng)能！

工研院材料與化工研究所儲(chǔ)能材料及技術(shù)研究組組長(zhǎng)陳金銘指出，下世代電池需求以定置式儲(chǔ)能及移動(dòng)式儲(chǔ)能為主，前者如家用、商用及電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)；后者如電動(dòng)車，商機(jī)最大。國(guó)際能源總署（IEA）表示，預(yù)計(jì)2022年電動(dòng)車銷量將再創(chuàng)新高，占全球輕型汽車總銷量的13%。車用鋰離子電池組到2030年每度電成本將降到約70美元，與燃油車相近，因此，隨著鋰離子電池技術(shù)的快速革新與成本下降，未來在全球運(yùn)輸電氣化的過程中，移動(dòng)式儲(chǔ)能與鋰離子電池都具有關(guān)鍵地位。

消費(fèi)性電子產(chǎn)品搭載率逾九成
鋰離子電池（Lithium-ion Battery）為可重復(fù)充電電池，主要靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)運(yùn)作，特色是電容量高、體積小、重量輕，一般由正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔離膜、罐體等組成，其中，正極材料與負(fù)極材料對(duì)于提高鋰離子電池的電容量密度和低價(jià)化的影響最為關(guān)鍵。

不同鋰離子電池主要使用的正極材料不同，常用材料為鋰鈷氧化物（LiCoO2）、鋰鎳氧化物（LiNiO2）及鋰錳氧化物（LiMn2O4），最常見的是鋰鈷氧化物(LiCoO2)，各有優(yōu)缺點(diǎn)；負(fù)極材料種類較多，如鋰離子嵌入石墨（Li/Graphite）、鋰離子嵌入氣相成長(zhǎng)碳纖維（Li/VGCF）、鋰離子嵌入類碳聚合物（Li/Polymer Precursor）、鋰離子嵌入摻雜碳（Li/Doped Carbon）等，最常見的材料是石墨(碳)。

鋰離子電池的能量密度約為鎳氫電池的2倍、鉛酸電池的2.5倍，即使不使用，自放電率也相當(dāng)?shù)?，因此被大量?yīng)用在3C或消費(fèi)性電子產(chǎn)品，加上鋰離子電池具有不可取代的優(yōu)勢(shì)，市占率高于鎳氫電池與鉛酸電池。

不過，多數(shù)人知道3C或電子消費(fèi)產(chǎn)品使用的是「鋰電池」，卻不清楚「鋰電池」可細(xì)分為鋰離子電池(Lithium Ion Battery)與鋰原電池(Lithium Polymer Battery)，前者可多次重復(fù)充電，后者只能一次性使用，不可充電。因?yàn)殇囯x子電池被廣泛使用，市面上多將其簡(jiǎn)稱為「鋰電池」。鋰電池1991年問世后便迅速取代鎳鎘電池(Nickel Cadmium Battery)及鎳氫電池(Nickel Metal Hydride Battery)，筆電、手機(jī)等產(chǎn)品搭載率已逾九成。

蘋果(Apple)手機(jī)也是使用鋰離子電池快速充電，讓蓄電量快速達(dá)80%，再轉(zhuǎn)成涓流方式充電。蘋果官網(wǎng)上對(duì)使用鋰離子電池的解釋是：快速充電更加方便，緩慢充電壽命更長(zhǎng)，而且充電更輕松；再次充電前不須100%放電。

Apple鋰離子電池以充電循環(huán)方式運(yùn)作，以正常使用或放電方式消耗相當(dāng)于100%的電池蓄電量就完成一次充電循環(huán)，但不一定所有的蓄電量都來自于同一次充電。完成一次循環(huán)可能需要好幾天。使用鋰離子電池進(jìn)行完整的充電循環(huán)，蓄電量只會(huì)略為減少，而Apple鋰離子電池即使多次充電循環(huán)后，仍能盡量保有80%的原蓄電量。

 
圖一 : 蘋果(Apple)手機(jī)使用鋰離子電池快速充電。(Source：Apple官網(wǎng))

鋰離子電池的挑戰(zhàn)及限制
雖然鋰離子電池應(yīng)用多元，商機(jī)龐大，卻也存在著挑戰(zhàn)與限制。與傳統(tǒng)的電池技術(shù)相比，鋰離子電池的充電速度更快、電池電容量高、溫度范圍大、輕薄短小而且壽命長(zhǎng)，還可以重復(fù)多次充放電，仍有缺點(diǎn)，如蓄電力會(huì)隨著電池出廠時(shí)間拉長(zhǎng)而減少，一般約2-3年間，電池的最大蓄電力會(huì)明顯下降。

此外，3C等產(chǎn)品使用過程中產(chǎn)生的高溫也會(huì)加速電池蓄電力降低，因此，不少鋰離子電池內(nèi)建控制芯片避免過熱，或者透過電池組監(jiān)控電池的個(gè)別電壓，一旦超出安全范圍便會(huì)自動(dòng)斷電，有些電池也會(huì)設(shè)計(jì)排氣孔排出高溫氣體，以免爆炸。

除了充放電次數(shù)增加使得電池壽命遞減，鋰離子電池的電解液為液態(tài)有機(jī)溶劑，遇火易燃，也有潛在的安全疑慮。此外，鋰離子電池的能量密度并非無上限，想進(jìn)一步提升必須使用鋰金屬取代石墨做為負(fù)極，但是鋰金屬在液態(tài)電解液進(jìn)行電池充放過程中會(huì)產(chǎn)生鋰枝晶（Lithium Dendrite），穿過隔離膜觸及正極容易導(dǎo)致電池短路，甚至有爆炸的危險(xiǎn)。因此，雖然未來商機(jī)可期，傳統(tǒng)鋰離子電池仍有需克服的挑戰(zhàn)。

來勢(shì)洶洶的新競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手：固態(tài)電池
工研院材料與化工研究所組長(zhǎng)陳金銘指出，鋰離子電池的能量密度逼近物理極限的300Wh/kg，因此，業(yè)界正積極研發(fā)能量密度達(dá)500Wh/kg的固態(tài)電池。前面提到，傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液能快速傳導(dǎo)鋰離子，提供大電流，40度以上高溫便有安全及壽命銳減的疑慮，因此，電動(dòng)車大廠如特斯拉（Tesla）會(huì)針對(duì)Model S車款設(shè)計(jì)嚴(yán)格的溫控系統(tǒng)，就是為了確保電池使用的安全性。

 
圖二 : Tesla Model S車款設(shè)計(jì)嚴(yán)格的溫控系統(tǒng)，以確保電池安全性。(Source：Tesla)

固態(tài)電池是以固態(tài)電解質(zhì)取代液態(tài)電解液，可以增加高能量電池的安全性，能量密度達(dá)450-500Wh/kg，是傳統(tǒng)鋰離子電池能量密度180（鋰鐵電池）-250Wh/kg（鋰三元電池）的2倍，優(yōu)點(diǎn)是安全性高、不漏液，由于固態(tài)電解質(zhì)可抑制材料反應(yīng)，不易燃燒，可延長(zhǎng)電池壽命，而且相同電容量的固態(tài)電池重量?jī)H為鋰離子電池的一半。

想要解決鋰離子電池的能量極限及安全問題，以固態(tài)電解質(zhì)取代傳統(tǒng)鋰離子電池的液態(tài)電解液是良策。以蘋果(Apple)來說，早在2012年就已布局全固態(tài)電池專利，將其應(yīng)用于筆電、平板及穿戴式裝置。

全球車廠如福斯（Volkswagen）也和QuantumScape共同開發(fā)鋰金屬固態(tài)電池，QuantumScape指出，固態(tài)電池技術(shù)與鋰離子電池相比，可以延長(zhǎng)電動(dòng)車80%的續(xù)航里程，也被認(rèn)為是更安全、更便宜的鋰離子電池替代品。QuantumScape的關(guān)鍵創(chuàng)新技術(shù)在于柔性陶瓷材料制成的隔板，可以阻絕短路結(jié)構(gòu)，而且不會(huì)著火，這類固態(tài)電池能像鋰離子電池一樣應(yīng)用于各種產(chǎn)品，還具有進(jìn)化優(yōu)勢(shì)。

日本豐田(TOYOTA)汽車2020年已推出全固態(tài)電池搭載純電概念車LQ，未來將導(dǎo)入油電混合車及豪華車款Lexus。寶馬(BMW)汽車與儲(chǔ)能新創(chuàng)公司Solid Power合作開發(fā)的鋰金屬固態(tài)電池預(yù)計(jì)在2025年推出原型，2030年推出量產(chǎn)車款。

Solid Power指出，固態(tài)電池比目前電動(dòng)車使用的鋰離子電池多出50%的能量密度，由于內(nèi)部無可燃配件，安全性相對(duì)較佳，缺點(diǎn)是造價(jià)比鋰離子電池高，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模以滿足產(chǎn)業(yè)需求仍有一段路要走。

 
圖三 : 豐田(TOYOTA)汽車2020年推出全固態(tài)電池搭載純電概念車LQ。(Source：TOYOTA)

目前鋰離子電池汽車多數(shù)掌握在特斯拉(Tesla)之手，消息指出，特斯拉考慮在德州墨西哥灣沿岸建立鋰精煉廠，以確保電動(dòng)車電池關(guān)鍵零組件得以供應(yīng)穩(wěn)定，提升電動(dòng)車產(chǎn)量。如果申請(qǐng)批準(zhǔn)，2024年底前可能商業(yè)化量產(chǎn)。

由于電池成本占整部汽車約40%，傳統(tǒng)汽車大廠若想與特斯拉競(jìng)爭(zhēng)，勢(shì)必要另辟蹊徑，比方固態(tài)電池新型態(tài)能源車，但如此一來，又會(huì)產(chǎn)生建構(gòu)全新汽車系統(tǒng)、新零件及新充電站等巨額投資等問題，也將掀起另一波電池競(jìng)賽。

臺(tái)灣工研院為協(xié)助臺(tái)廠爭(zhēng)取固態(tài)電池商機(jī)，成功開發(fā)以「網(wǎng)狀聚酰胺環(huán)氧樹脂」（NAEPE）為電解液的「高能量及高安全樹脂固態(tài)電池」，離子導(dǎo)電度及電壓穩(wěn)定性相對(duì)優(yōu)異，可增加高能量電池壽命及安全性，此項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)車，電池芯能量密度達(dá)320Wh/kg，較市場(chǎng)主流21700鋰離子電池的260Wh/kg性能更優(yōu)異、更安全，行駛里程及營(yíng)運(yùn)成本改善逾30%。

鋰金屬固態(tài)電池是下世代高能量密度電池中的重要技術(shù)，以鋰取代石墨做為負(fù)極材料，可以提升能量密度，工研院已開發(fā)出350-400Wh/kg的鋰金屬固態(tài)電池，也發(fā)展出抑止鋰枝晶的三重保護(hù)層技術(shù)以提升安全性，并已完成專利布局。臺(tái)灣產(chǎn)業(yè)若能成功整合軟硬件生態(tài)系，加速電動(dòng)車跨域布局，在固態(tài)電池技術(shù)2030年商業(yè)化之前，仍有機(jī)會(huì)在電力電子新時(shí)代取得關(guān)鍵地位。


 
圖四 : 工研院開發(fā)的「高能量及高安全樹脂固態(tài)電池」具有難燃性、高溫循環(huán)壽命佳等特點(diǎn)。(Source：工研院)

循環(huán)經(jīng)濟(jì)外一章：廢棄鋰離子電池回收
鋰離子電池與固態(tài)電池的競(jìng)合關(guān)系如何有待觀察，不過，換個(gè)角度觀察，由于綠能與電動(dòng)車趨勢(shì)不可逆，受惠于市場(chǎng)需求大增，全球鋰離子電池需求快速成長(zhǎng)之際，預(yù)估未來5-10年，將有大量的鋰離子電池屆臨汰役，廢棄鋰離子電池如何回收再利用，建立循環(huán)經(jīng)濟(jì)，是另一個(gè)值得觀察的重點(diǎn)。

研究機(jī)構(gòu)MarketsandMarkets預(yù)估，全球鋰離子電池回收市場(chǎng)規(guī)模在2030年將增加至107億美元，年增率約19.4%。鋰離子電池的毒性雖然小于鉛酸電池，仍有污染環(huán)境的疑慮，過度開采也可能導(dǎo)致生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，循環(huán)回收有利環(huán)境永續(xù)；另一方面，鋰離子電池中的鈷、錳、鎳、銅等金屬也具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，透過鋰離子電池循環(huán)不僅可以降低對(duì)環(huán)境的污染、掌握原料來源，還能確保原料供應(yīng)穩(wěn)定，因此，鋰離子電池的回收商機(jī)同樣不容小覷。