World Smart Energy Week 2013東京現場直擊系列報導三

刊登日期:2013/3/4
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呂學隆/孫文檠/黃裕豪/蔡麗端/曾寶貞東京報導

Battery Japan 2013 的電池材料趨勢觀察
第三天的東京國際二次電池展會場,雖然是最後一天展期,仍然吸引眾多國際電池產業人士參與,也鑑於展會的代表性與重要性,已有多數廠商表達來年登記參展的正面意願,展會的影響力由此可見一班。

在其他電池材料展出部分,由於鋰電池黏結劑雖然市場出貨數量較少,但因其產品要求高且多樣化,價格高昂與技術門檻較高之故,屬於由少數廠商供應產業的寡占市場。在本次參展的鋰電池黏結劑廠商當中,包括吳羽化學(KUREHA)、ARKEMA、ZEON、JSR等均有參展,其中吳羽化學及ARKEMA均以現有技術體系與產品線展出為主;ZEON則將其黏結劑材料產品線分為水系與溶液系兩類,分別針對不同的電池芯製造需求提供不同產品,另也對於未來水系黏結劑應用在正負極均具備一定的信心。


圖一、ZEON展出之正極黏結劑產品特性

另一廠商Toray所提出的鋰電池黏結劑樹脂,主要以polyimide(PI)以及poly amide imide(PAI)等組成,相較於過往使用的PVdF以及SBR-CMC等材料體系,廠商標榜更高的強度與彈性,以及對於銅箔更好的接著性。廠商在展出資料當中提到,在此產品與AIST合作開發的過程中,應用於負極矽材料+碳材的循環壽命上有優於PVdF及SBR-CMC的良好表現。


圖二、Toray展出之PI樹脂黏結劑產品特性

在鋰電池集電體材料當中,也有福田金屬箔粉、新日鐵住金、住友輕金屬等參展,今年以福田金屬箔粉展出相關新產品較受注目,該公司在本次展會展出因應未來新型正負極材料用高強度電解銅箔「Type A」,強調高溫下仍保持高強度,且可承受矽合金/錫合金負極材料的體積膨脹問題。雖然筆者認為此項技術仍然需要實際進行生產電池芯測試後方可確認,但也可看出鋰電池相關材料廠商晚近配合能量密度提升研究下,對於銅箔的高強度要求在未來仍會持續提高。此外,福田金屬箔粉在展場上也展出2010年業界出現的表面開孔型銅箔,開孔率可進行任意設定(最大開孔率65%)來配合電池特性,廠商已經小量銷售給鋰離子電容器、鋰電池、電雙層電容器EDLC用集電體。


圖三、福田金屬箔粉展出之次世代高容量鋰電池用高強度銅箔

在會場上另一較為特殊的參展廠商種類,是進行電池再生回收的廠商,包括Japan Battery Recycling Center(JBRC)、Battery Reuse System西日本、Umicore等廠商。長久在日本進行充電電池回收的Japan Battery Recycling Center(JBRC),日本自1991年開始出現再生資源利用促進有關法律後,在2001年四月實施的「資源有效利用促進法」以及廢棄物處理法當中,明列包括鎳鎘、鎳氫及鋰電池作為產業廢棄物回收標的。主要透過廣佈全國的3C用品販賣商店、便利商店、超市連鎖等體系,以及廠商和其他地方性團體等回收各項電池,再由JBRC聯繫將電池回收載運至業者處進行處理。到2012年10月底為止,參與JBRC回收體制的廠商有287家,在2011年共回收了1,295公噸之小型二次電池,其中鎳鎘電池占896公噸。


圖四、JBRC目前現有會員一覽

超級電容器(Ultracapacitor、Supercapacitor)屬於儲電裝置當中,介於二次電池與電容器間的產品,目前在市場上以EDLC商品化時間較早(1968年),且市場規模較大。美國廠商Maxwell Technologies 在本次展會中展出其相關EDLC產品,以中大型市場產品為主。廠商表示,目前除了單獨銷售EDLC以外,也提供模組化的產品,此外也提供結合其他電池、電動裝置之整合系統設計,由汽車動力應用、電動公車、航太科技應用、電力電子等作為四大應用市場。


圖五、Maxwell相關大功率EDLC產品

為期3天的東京國際二次電池展,正值開年期間,各國際廠商均趁此機會會面確認供應鏈搭配狀況與本年度營運合作各項計畫,可說是業界最重要的展會,集最新日本技術與商品化動態之大成。

從展會中觀察2013年的產業前景來看,由日韓中三國為領先國家的全球鋰電池產業,呈現三國分立下各有不同發展佈局的特性,其中又以日本產業結構體系最為完整,研發力與產業結構強度成就了今日鋰電池材料及電池市場龍頭地位;韓國雖然在材料製造與產品品質方面落後於日本,但憑藉兩大財團為主的戰略佈局,逐步由終端3C產品向上垂直整合電池製造與材料生產,也成為日本廠商的主要競爭對手與研究對象;中國大陸發展時間最晚,但仰賴原礦資源豐富、市場地緣優勢、業內主要本土業者支持等發展優勢,利用大型集團帶動投資鋰電池材料產業熱潮。三國各擁優勢致力發展下,使鋰電池產業呈現了高集中度與主要生產國家高自製率兩大特性,年度成長性預料也將維持穩定成長方向。

PV EXPO 2013 會場 台灣廠商再巡禮
持續前兩天的觀察,在PV EXPO 2013展場,有幾家台灣業者展出有關太陽電池材料之研發成果。其中永光化學展示與國內大專院校共同開發之高效率染料敏化太陽電池材料-YD2-o-C8。根據永光化學的說明,學校實驗室已驗證出YD2-o-C8,可製作出轉換效率超過11%之染料敏化太陽電池。


圖六、永光化學展示高效率染料敏化太陽電池YD2-o-C8材料

嘉貿光電則展出利用超音波銲接之無鉛Al ribbon,此產品將應用於無法高溫焊接之CIGS電池上。另外,還展示背接觸矽晶太陽電池用含銀之錫膠、LED及觸控面板上使用的導電銀膠,以及助銲劑等材料。宇葳科技展示三種太陽能背板材料(EPP、CPP、PP),這些材料目前皆已提供國內外各大PV模組商使用。

樂佳光能發表追日系統(PV Tracking System),依不同產品應用的太陽能模組規格,推出PV、HCPV(High Concentrating Photovoltaic)、CSP(Concentrated Solar Power)單/雙軸追日系統,目前以歐、美、日與中東等先進國家為主要外銷市場。台灣先能展示可攜式環保型燃料電池發電機、環保型燃料電池行動電源。而台達電則在本次展覽展出包含最新產品30KW併網型太陽能逆變器、耐鹽霧之PV module(針對日本環境所設計)及蓄電裝置等多項產品。

台灣製作非晶矽太陽電池模組的旭能光電,與日本富士電機共同開發可攜式燈具模組,旭能光電將富士電機所製作的非晶矽太陽電池,透過燈具封裝設計,製作成極具特色之產品-EZ SOLAR LAMP,並在展覽現場販賣。據云,該產品充電兩小時即可放電五小時,充放電至少可超過2,000次。

其他PV特色展品介紹
日本SPHELAR POWER公司在展場展示球狀矽晶太陽電池,其電池發電原理與傳統矽晶太陽電池相同,差異在於矽晶電池受光面僅為正表面,球型電池則為全表面。SPHELAR POWER公司將其設計成高穿透性透光模組,可作為簾幕等商品,兼具發電及遮陽效果。在攤位上,還有設計在織布、行李箱及安全帽等民生用品的產品展出。


圖七、SPHELAR POWER公司發表建材一體之球狀矽晶太陽電池模組

另外,日本Nippon Electric Glass展示多樣技術領先之玻璃產品。其中最受矚目的是世界最寬的Glass Ribbon(20mm)以及世界最薄的Glass Ribbon(4μm)。另展出FTO鍍膜玻璃基板,其功用是阻擋UV光避免元件老化,目前產品應用在染料敏化太陽電池。此外還有超薄型輕量曲面鏡,此產品具有輕量、高反射率(波長選擇性反射)、可撓性以及高平坦表面等特色,未來構想是應用在太空發電系統上。


圖八、Nippon Electric Glass展示世界紀錄Glass Rippon

韓國LG子公司LS industrial systems此次展出親環境、高效率之水上太陽光電系統設計。LS認為水上太陽光電系統相較於陸上裝置,具有冷卻效果,發電效能將提升10%;水上太陽光電系統大面積阻擋太陽光直射海面,將減少綠藻之產生,可改善水質;水上系統構造體並將提供魚類產卵之環境。


圖九、Nippon Electric Glass展示世界紀錄Glass Rippon

從專門技術研討會看電池材料發展
主辦單位每年精心規劃的研討會常成為吸引人潮的重要因素之一。Reed公司對於研討會的主題內容,係由各領域專家組成委員會後,精選業界最關心的議題,或迫切面臨的課題,作為安排研討內容的依據。今年在二次電池方面,幾場演講非常精彩,皆呈爆滿現象。茲舉其中三場有關材料的演說內容精摘如下,供大家參考。

在隔離膜方面,主辦單位邀請到Toray Battery Separator Film Co., Ltd. 的 YAMADA先生說明最新發展趨勢。隔離膜製程可分乾式與濕式兩種,全球供應出貨量現況以濕式佔約65-70%。均一性良好及具備高機械強度是濕式製程的優點;而成本優勢則以工法單純的乾式製程勝出。


圖十、隔離膜的功能特性

YAMADA先生認為,高安全性及高可靠性的鋰電池需求對於位居正負極之間,扮演隔離功能的隔離膜,應具備如下幾個特性:1.具均勻性的微孔分佈(分佈集中的微孔半徑約0.01 - 0.1 um ),2.高機械強度及3.高電壓的分解性( PE 可耐電壓超過2kV @20 mic)。如此才能預防當電池發生短路或出現不正常狀態時,可使電池不作動,避免溫度上升而引發更多危害。再則,為促使離子容易遷移功能,具高滲透性、均勻性的微孔分佈及優良的化學穩定性則有助於防止非一致性的電化學反應現象出現。建立離子傳輸short down機制功能,當電池過充電時,較低溫的 short down機制可以安全的阻止離子的傳輸。此機制特性可以1.在 130℃快速關閉微孔、內阻可達106Ω。Cm2及超過180℃時內阻可持續維持。2. 均勻性的微孔分佈。

對於未來相關技術發展應用趨勢,YAMADA先生認為鋰電池特性要求高能量密度型者需要厚度薄、高滲透性的隔離膜。高功率型需要高滲透性的隔離膜。大尺寸型 (儲能) 則需要厚度薄、高滲透性的隔離膜。對於防止 thermal runaway 而要提高安全性及可靠性,需要有較低溫度的阻斷功能、較高的熱阻及較低的熱收縮(如陶瓷或高分子熱阻隔層)。YAMADA先生介紹 Multilayer Co-extrusion Technology 具有較高熱阻性。當溫度達到 135℃時快速關閉微孔,1 95℃時尺寸完好無缺。


圖十一、隔離膜較低溫度的阻斷功能特性曲線

關於電解液的添加劑部份,UBE Industries, LTD 的Koji Abe先生認為,Li Salt + Cyclic Carbonates +Chain Carbonates 是基礎的電解液。當加入適當的添加劑時才算是功能性電解液,並且強調高純度的重要性。當電解液純度不高時,經過長時間由於氟酸的形成會使得電解液變色。


圖十二、不同純度電解液隨時間增長與氟酸形成之曲線

Koji 先生說明正極與負極各有所適當之添加劑。早期soft carbon為負極時以PC為主要溶劑,因其具有高導電性;之後進入高容量材料使用graphite為負極時以EC為主要溶劑。而此階段的電解液Koji 先生認為是一般性電解液。當使用高純度的電解液及添加劑,使得負極材料表面形成保護層並有利於鋰離子嵌入及嵌出。此為CTL( Controlled Thin Layer )的概念。正極以ECM(Electro-Conducting Membrane) 概念,在正極材料表面形成良好導電保護膜。另外,Koji 先生也強調未來電解液技術將是鋰電池性能的決勝點。


圖十三、負極材料表面形成保護層機制


圖十四、正極材料表面形成保護層機制

有關黏結劑部份,ZEON公司的Yasuhiro先生強調黏結劑的功能在製程中會影響電池性能,如下圖所示,當塗佈過程有不均勻現象時,極板乾燥後會形成厚度不均的電極,當組成電池進行電化學反應,會是循環壽命及安全性的影響因素。


圖十五、黏結劑經塗佈製程對電池之性能影響

負極材料的黏結劑有水系及有機系兩種,材料皆為高分子。水系黏結劑與增黏劑併用(固含量30-50 wt%),市場現在大量使用,在還原氣氛下電化學性穩定,缺點是漿料製備有難度。有機系黏結劑(固含量8-14 wt%)在還原氣氛下易分解,優點是漿料製備容易。

正極材料的黏結劑有水系及有機系兩種,材料亦皆為高分子。水系黏結劑與增黏劑併用,市場現在大量使用,在高溫下循環壽命較佳,缺點是漿料製備有難度。有機系黏結劑承受高電壓特性弱,優點是漿料製備容易。Yasuhiro先生說明次世代電池的正極表面有塗覆功能性黏結劑,將有效提升高溫保存特性。


圖十六、正極表面塗覆功能性黏結劑示意圖


圖十七、正極塗覆功能性黏結劑高溫保存特性

從基調演講看全球氫能與燃料電池發展--美國能源部FC技術局長演講精摘
第二場基調演講由美國能源部(DOE)燃料電池技術局長 Dr. Sunita Satyapal主講。首先,她回顧美國能源部之氫氣與燃料電池計畫,重申歐巴馬總統對能源之重視,並強調能源部長Steven Chu以及能源效率與再生能源主管皆認為氫能與燃料電池為能源領域重要項次之一(雖然2009年朱部長上任之初曾誤判氫氣與燃料電池之重要性,一度大幅刪減相關預算,但隨即遭致專家抗議而再追加預算回復相關研究)。藉由早期利基市場之導入,主導燃料電池跨領域應用之技術創新及前瞻技術之建立。分析2002~2011年美國潔淨能源相關專利,燃料電池申請之專利數遠超過其他能源技術,而燃料電池專利分析則顯示,美國仍是研發實力堅強、技術創新之專利盟主(佔46%)。依序則為日本居次(佔31%),德國與韓國並列第三名(各佔7%),第五名為加拿大(佔3%),台灣則與英國及法國平分秋色(各佔1%)。由專利數分析顯示,燃料電池技術大國非美日莫屬,兩者技術遙遙領先全球。如下圖所示。


圖十八、燃料電池專利數分析

Dr. Sunita Satyapal也分析了全球燃料電池之市場。燃料電池主要商業化之應用市場為運輸工具之動力、定置型電力、輔助電力、備用電力及可攜式電力。她認為未來10~20年全球燃料電池之年產值將大幅提升,其中定置型燃料電池市場將達140~310億美元/年,可攜式燃料電池市場約為110億美元/年,而運輸用途之燃料電池則有180~970億美元/年之市場潛力,因此預估2020前美國將會因燃料電池技術之產業化而新增18萬個新工作,至2035年將可增加65萬個就業機會。相關概況如下圖所示。


圖十九、燃料電池市場概況

DOE FY2012投入氫能與燃料電池之經費為103,624千美元,較2011年成長(98,000千美元),各項經費編列如下表所示。FY2013預算雖尚未決定(2013.03 決定),但可能之預算經費約為80M~104M美元。


圖廿、美國在氫能與燃料電池之預算投入情形

另外,燃料電池成本在2012年已降至47美元/KW,較2008年減少35%,亦較2002年減少80%,離2017年的30美元/KW目標已相距不遠了,因此DOE將會持續投入研發,減少白金負載量,並達成 5,000時之耐久性目標。


圖廿一、燃料電池生產成本變化情形

至於產氫技術,DOE規劃現在~2015年,集中式產氫技術仍將以天然氣重組技術為主(500,000kg/day),至於分散式產氫技術(產氫量(1,500kg/day)則著重在天然氣重組技術及電解產氫技術兩種。2015~2020年不管是集中式產氫或分散式產氫,皆將開始導入生質產氫技術,而2020~2030年集中式產氫將導入煤製氫技術及高溫電解產氫技術,氫的目標價為2~4美元/ggeH2 (請參考圖廿二) 。目前美國氫氣年產量達9MMT,使用中之氫氣管路總長度超過1,200 miles,全美目前建置之加氫站已超過50座。


圖廿二、DOE之產氫策略

在技術進展中,DOE計畫在 Orange County展示了全球第一座熱、電力及氫氣三項共生系統(CHHP),效率達54%。Dr. Sunita Satyapal強調,2012年Super Storm Sandy襲擊美國東岸,造成10州25%電信塔(基地台)停止運作,很多颶風過後才失效之電信塔在電網電力恢復供應前即因二次電池沒電或柴油用盡而造成備用電源也停止運作。因此,未來如果導入燃料電池應用於緊急備用電力,將可確保電力系統運作正常化。Dr. Sunita Satyapal同時也在演講中提供DOE國際合作計畫給與會人士參考,希望藉由各國跨領域合作,提升燃料電池相關技術,並加速產業化之進行。

結合燃料電池與氫氣邁向永續之能源系統-NOW Dr. Klaus Bonhoff演講精摘
基調演講壓軸的是德國NOW GmbH National Organization Hydrogen and Fuel Cell Technology 之 Managing Director Dr. Klaus Bonhoff演講,其演講主題為Towards Sustainable energy system with Fuel cells and hydrogen(結合燃料電池與氫氣邁向永續之能源系統)。Dr. Klaus Bonhoff在演講中指出,因應德國2022年全面廢核以及2050年CO2排放量為現階段(2010年)的50%之節能減碳目標,德國全力投入再生能源及各種新能源技術之開發,而燃料電池及再生能源產氫技術是整合型永續能源系統之重要關鍵技術,有關交通運輸工具零排碳量目標,將仰賴使用再生能源製氫的燃料電池自動車,才能達到目標。因此,NOW不遺餘力的推動燃料電池車商業化,積極建構德國之加氫站及基礎設施。目前Clean Energy partnership已完成16座加氫站(Hydrogen Refuel Station,HRS)之建置,(各加氫站座落地點如下圖所示), 同時並驗證加氫站及氫氣之安全性、燃料補充標準制定、氫氣供應鏈測試、以及氫氣儲存及壓縮技術之驗證。德國在 2015年前將再投入四千萬歐幣完成在德國全國各地建立15~50座加氫站,以建構完整之加氫站及基礎設施,已完成德國全國之氫能公路目標。潔淨能源聯盟並投入在氫氣充填技術、氫氣品質、氫氣計量測試及加氫站之洩漏檢測技術之研究 。


圖廿三、德國加氫站設置座落地點

Dr. Klaus Bonhoff同時亦揭露2013年德國預計投入5億7千萬歐幣(其中386.407千歐幣審核通過,而120.793千歐幣尚在討論中),開發氫氣與燃料電池相關技術,各計畫經費分配如下圖所示:。


圖廿四、德國投入氫氣與燃料電池開發所投入的計畫經費配比

目前全球各大車廠紛紛加入德國clean energy partnership(CEP)之FCV車隊進行場域測試,其中包含80部Dailmler B-Series F-cell 、20部Opel Hydrogen4、8部Volkswagen Touran,caddy,Tiguan HyMotion,Audi Q5-HFC、5部Toyota FCHV及7部 Fuel cell Bus(Evobus, in Hamburg),而韓國Hyundai最近也加入CEP了。由於德國政府及各單位積極導入氫能及燃料電池商業化教育,在一項最新調查結果顯示(2013.01),77%民眾不認同鄰近加氫站居住性較一般加油站居住之憂慮性為高之意見,而89%民眾認同一旦氫能車銷售,氫能車將是安全之調查意見,其結果顯示德國民眾對於氫氣能源及燃料電池車之接受度極高。而在國際合作上,2013.1.28 Daimler AG、Fort Motor及Nissan Motor在德國Stuttgart簽下三方協定,共同推動FCEV之商業化。而2013.1.24 BMW Group也與Toyota Motor在日本名古屋簽下深度合作協定書,將來雙方將在Sport Vehicle、Sustainable Mobility及輕量化技術上長期合作開發。顯示德日車廠摒棄過去門戶之見,敞開心胸互相合作,以加速燃料電池車之商業化及達成零碳排放量之目標。為確實達到零碳排放之目標,德國亦積極導入利用風力發電之電力產氫,同時借重日本在CHP推動之策略,也同步展開Fuel Cell CHP之補助,以建構Fuel Cell為分散式能源之一環。

綜合此屆國際氫能與燃料電池展覽會之基調演講,顯示燃料電池技術大國-日、美及德國推動2015年導入燃料電池車商業化及氫能為新能源之決心不變,而為了加速2015年之目標達成,各國政府早已積極展開密切之合作計畫,而各大車廠也正式攜手合作,希冀2015年能正式導入燃料電池商業化,而其中成功的最關鍵因素即是氫氣之基礎建設及安全法規。因此,各國政府也積極投入氫氣之基礎建設。相信2015年燃料電池車商業化在各國政府及各大車廠積極推動下,一定會美夢成真,且讓我們拭目以待吧。


圖廿五、主辦單位Reed Exhibition公司田中局長(右)及
國際推廣處處長大道雪(左)

期待再相會
材料世界網編輯群一連三天在包含PV EXPO 2013、Battery Japan 2013、FC EXPO 2013、ECOHOUSE & ECOBUILDING EXPO、Smart Grid EXPO、Wind EXPO、PV System EXPO、ENETECH Japan等八大展同步登場的World Energy Week 2013現場為國內讀者提供第一手的採訪報導。除了希望藉此讓大家對此國際能源大展會有進一步的了解與認識之外,也希望透過編輯群的親自參觀或訪談,提供大家最新的產品與市場資訊。更多更詳盡、深入的報導內容將刊登在4月號的工業材料雜誌,請關心最新能源議題的朋友千萬別錯過。

以上是材料世界網/工業材料雜誌編輯群呂學隆/孫文檠/黃裕豪/蔡麗端/曾寶貞來自東京World Smart Energy Week 2013的現場Life報導。

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