啓動全球電動車革命之鑰—高能量固態電池與材料
全球許多國家已宣布將全面禁售燃油汽車，台灣也提出多項如公車全面電動化、禁售燃油汽/機車等計畫，電動車時代即將來臨！由於傳統鋰電池使用有機溶劑作為液態電解液，會有燃燒爆炸的潛在危險，而使用固態電解質的固態電池，具有高能量密度、長壽命、低成本與高安全等特性。固態電池能量密度高達350~500 Wh/kg，將使電動車行駛里程提高一倍以上。根據IEK的調查資料顯示，2016年全球車用動力電池產值達4,000億台幣，預估至2020年全球車用動力電池產值將高達1兆2,000億台幣，因此發展固態電池以應用於電動車輛，除了可提升台灣電池產業競爭力之外，也可以帶動國內電動機車、電動車、電動巴士等產業的發展。本期技術專題主要針對高能量固態電池與材料技術進行探討，藉由新世代高能量固態電池製程與材料技術研發，喚起大家對固態電池的重視與投資，以解決電動車、電動機車、電動巴士與再生能源儲能系統的電源需求瓶頸，建構國內完整的上/中/下游產業鏈，及早掌握固態電池與材料的產品商機。
固態電池的技術核心即為固態電解質材料。全固態電池系統中使用無機的陶瓷電解質，不但可以減少或完全不使用有機溶劑，還可藉由其固態的機械強度來抑制鋰枝晶的成長，擁有穩定的電極界面，解決了鋰電池的安全問題，並可用高能量密度之鋰金屬作負極材料，大幅提高電池之能量密度，而鋰電池之加工設計也更有彈性。此外，固態電解質耐高電壓以及高溫之特性，使得此類電池之應用領域更為廣泛，近來固態鋰電池吸引許多團隊投入研究。「無機固態電解質材料」一文介紹多種無機固態電解質之近期發展，並討論工研院材化所近期於無機固態電解質（LLZTO、LAGP）相關的成果，已不斷優化製程提升材料之離子導電度，並簡化合成步驟以降低製造成本。
現行鋰離子電池之重量能量密度及循環壽命等表現，將無法滿足未來電動載具對於能量與功率上的要求。當電池材料技術往高能量聚焦時，高穩定性與高安全性也同步受到關注，更新電解質系統勢在必行。高安全性電解質以全固態電解質為最終目標，除了前篇介紹之無機固態電解質，「有機固態電池與電解質材料」一文針對有機高分子電解質之發展現況及展望進行介紹，特別鎖定純固態高分子電解質系統。而如何有效整合各種材料提出一個完整的解決方案，是各家廠商未來的努力重點。目前工研院採取的固態電池作法是使用有機無機複合的方式製作固態電解質膜，以有機的高分子電解質改善無機陶瓷電解質的加工性，無機陶瓷電解質提升固態電解質膜的機械強度。
鋰金屬電池擁有超低還原電位、低密度高能量等特性，被視為是下世代高重量能量密度(Wh/kg)儲能負極材料的重要候選人之一。然而，無法受到控制的金屬枝晶成長所導致之不均勻沉積而致使內短路發生，造成安全疑慮與低循環效率是鋰金屬電池難以商業化發展的兩大關鍵因素。鋰金屬在充放電過程中會持續劣化電解質進而產生副產物，導致電池內部阻抗增加，減少電池的循環壽命，其中的沉積/溶出也使得活物表面不均相，容易形成樹枝狀枝晶穿刺隔離膜後接觸對電極，導致短路而使電池失效。「高安全鋰金屬負極材料」主要從了解發生枝晶的行為及如何利用各種方式來抑制枝晶，進而提升庫倫效率，從液態系統下的成核行為，透過機械力與電解液濃度控制離子流與極化現象，直到利用固態電解質來取代，但卻衍生出更多的介面問題等。從理論模擬直至技術應用，最後如何商業化，與未來的關鍵性問題，完整顯示出下世代電池是極具挑戰性的。
固態電池技術屢有創新突破，高能量密度與高安全、快充電等技術將是未來電池發展的重要指標。根據Apple公司在固態電池以及充電技術等相關專利之布局，以及觀察全球鋰電池之發展趨勢，固態電池將有望取代傳統液態電池成為未來消費性電子產品之電源主流。雖然固態電解質與電極材料界面基本不存在固態電解質分解的副反應，但是固體特性使得電極/電解質界面相容性不佳，界面阻抗太高嚴重影響了離子的傳輸，最終導致固態電池的循環壽命低、倍率性能差；另外，能量密度也不能滿足大型電池的要求。研究者無不積極對電極材料及其界面進行改質，改善電極/電解質界面相容性；或開發新型電極材料，進一步提升固態電池的電化學性能。「新穎固態電池」一文將針對全球電池大廠之固態電池發展技術，與近期相當火紅的超離子導體材料之應用發展，進行相關簡介說明。
您重要的研發夥伴—高階整合性顧問型檢測服務平台
工研院材化所「高階檢測技術團隊」承續過去「奈米共同實驗室」之基礎，近幾年投入高階檢測分析設備之軟硬體建置，完成全國最完整之高階核心檢測設施建構，以建全我國科技研發所需之高階檢測分析技術。透過卓越的軟體（人才、技術）與硬體（儀器、設施）的維持與精進，支援產業相關研發計畫，並推動全方位解決方案服務模式，從而帶動科技的創新與擴大產業效益，逐步達成各類型科技產業化之計畫目標。本期技術專題為讀者介紹該團隊於高階整合性顧問型檢測服務平台之發展近況與豐沛能量期能提供國內最前瞻之高階整合性顧問型檢測服務平台，成為業界重要之檢測伙伴，攜手迎向產業創新，共同促進產業升級。
許多產品最終的性能都會表現在表面特性，然而表面是最敏感、最不易檢測的項目之一，僅不到1 nm的改質層就會完全改變表面特性，因此選擇適當的分析儀器與手法相當重要。產品材料性質之解析與建構需要有多方面嘗試，並透過多樣且適當的檢測技術作為輔助，才能確認其產品的完整特性與其運作原理與機制。「整合性表面分析技術—針對複雜表面的物化特性分析方法」一文，說明高階探針檢測技術搭配各類型表面分析技術之整合實際應用案例。提供表面物理與化學特性的分析方法，由多種分析技術與多面向探討，可針對較複雜的改質表面，提供較完善客觀的資訊，俾使送測者更全方位了解樣品的特性，給予改良的方向以加速產品開發。
近年來，玻尿酸因其優異的保水性與生物相容性，已廣泛應用於醫藥、醫美與醫療器材等產業，如：眼科手術、骨頭關節炎之關節液補充療法、真皮填充、組織填充等。當交聯型玻尿酸普及應用於醫療器材時，雖然交聯性提升醫療效能與特性，但生產程序與產品品質良莠不齊，且無法提供合宜的分析數值與驗證，增加了交聯型玻尿酸在醫療器材管理上的困難度。「多型態玻尿酸組成特性之檢測技術」平台建立交聯型玻尿酸交聯與修飾率檢測分析技術，且蒐集彙整相關文獻及產品資料，並參考國際交聯型玻尿酸膠體檢測技術與文件，開發與建立一套可行的檢測分析方法。分析項目包含玻尿酸分子量、膠體流變性、修飾程度、體外降解效率、交聯程度、體外降解後化學指紋圖譜分析等技術，應用於交聯型玻尿酸品質分析之參考。對玻尿酸業者掌握玻尿酸應用在不同產品上之特性檢測是一大福音。
X光斷層掃描這項技術除了廣泛應用於醫療上，同時常被應用在材料科學的研發中。微（奈）米X光斷層掃描是一項非破壞性檢測技術，能夠提供研究者完整高解析三維影像，透視解析材料的內部結構特徵。近年來，政府對於醫材與儲能材的發展日益重視。而隨著先進製程的發展，3D積層列印醫材與多孔儲能電極的結構也日益複雜。在「X光三維結構整合分析與設計應用—3D積層醫材與多孔儲能電極開發」一文中，介紹X光斷層掃描這項非破壞性檢測技術如何應用在上述先進材料的研發中。工研院材化所微結構與特性分析研究室於2017年建置完成新型多尺度奈米斷層掃描儀，其超高像素解析度可達100奈米，且最大電壓為19萬伏特。所發展之三維透視影像搭配二維影像與模擬演算，可以提供研究人員更豐富的實驗與模擬結合資訊，藉以加速台灣工業中各項研發計畫進程。
在快速分析方面，X-射線螢光分析技術(XRF)是一種可用於分析樣品元素組成的非破壞性技術，適用於固體、液體、粉末、薄膜等不同樣品形式，透過對樣品進行非破壞性的檢測，可初步而快速地對樣品可能組成進行定性與半定量分析，對於品質管控、缺陷診斷需求來說，XRF為多用途且完整的材料檢測分析平台。「高通量X-射線螢光分析技術於材料開發之應用」介紹高通量X-射線螢光分析技術，說明應用於電子、半導體、光電、能源、環境、生醫、石化、高分子等各領域之實際案例。。除了於材料開發需求，透過XCT檢測技術與既有製程、量測實驗以及模擬技術相輔相成，來達到縮短研發時程之目標，更可藉助其非破壞性及高精度三維立體結構可視化特色，進行逆向工程分析、品質管控，甚至結合積層列印技術，帶動相關開發能量並且拓展技術質與量。
「電子顯微鏡與X光散射整合技術於奈米材料開發之應用」一文中分享工研院材化所在電子顯微鏡與X光散射整合技術之發展近況。低電壓顯像技術對於電子束輻照敏感型材料，如石墨烯、高分子等具有非破壞性與高空間解析等優點。本文以石墨烯量子點為載具，說明低電壓顯像技術在原子結構驗證上之應用實例。在生醫藥載與高分子產業方面，研究團隊建立了一套TAF奈米尺度認證制度，為全國第一個提供微脂體藥載材料TAF尺度認證報告之實驗室。對於奈米複合材料檢測需求，也整合電子顯微鏡與X光散射技術，提供奈米複合材料各種物性特性之檢測服務。
主題專欄
透過合適的包裝材料以減少食物浪費得到之減碳效益，遠超出減少丟棄食品包裝材料所產生的碳排放量。因此具有可延長保存期限的功能性包裝材料不僅可減少食物的浪費，更可提高減碳的效益。始於1958年，每隔三年在德國杜賽道夫舉辦的Interpack國際包裝機械暨材料大展，是當今全球最大規模之包裝專業展。由於食物浪費及海洋汙染議題與包裝材料密切相關，本次展覽中，節約糧食是展覽主題之一，會中展示專家所提出各項食品浪費相關研究數據以及食物浪費解決方案與正確的處理方式。生質材料專欄「全球食品包裝材料發展現況與趨勢」一文介紹Interpack 2017展覽中，功能性包裝材料於歐美市場的應用現狀與生質材料應用於食品包材的最新發展技術，特別是Innovationparc創新包裝專題展區中，關於食物浪費的研究數據與創新技術與材料。
全球生質塑膠市場從2007年10億美元增加到2020年100億美元，到2025年亞洲將是生質塑膠市場的主導者，特別是汽車和電子工業的創新應用促使市場更加繁榮。全球生質塑膠市場穩定成長，其中性質優越的新興生質材料PEF更是受到注目。由於在寶特瓶和其他機能性纖維材料應用之潛力極大，國際大廠所建立的研發聯盟正積極開發PEF上/下游產業應用技術，從HMF到FDCA與PEF一系列的原料製程技術與材料應用技術是目前國際化學材料大廠積極佈局的重點項目。台灣寶特瓶年產量超過2億6千8百萬支是國際上寶特瓶的重要供應國，台灣也是全球機能性紡織品的主要供應國，對於國際品牌大廠積極發展FDCA與PEF材料技術的趨勢，國內相關業者都投注高度關切的目光。工研院在HMF、FDCA與PEF相關領域已擁有多項專利。「HMF與FDCA專利技術介紹」一文針對HMF和FDCA的合成製造專利技術進行說明，提供各界瞭解HMF和FDCA相關生質材料技術的發展，希望對國內產業界在推動材料創新應用技術研發以及與國際品牌供應鏈的聯結有所助益。
再生醫學主要的目的是在將因疾病、受損和自然衰老的組織或器官予以延長功能、修復、更換或再建。目前對於慢性與致命的疾病多是以治標不治本或延緩疾病惡化的方式進行治療，再生醫學的進展被認為是唯一能改變這些潛在疾病的新亮點。而應用在再生醫學的醫用材料主要有二：「組織工程應用」和「人工細胞培養應用」。「組織工程應用」以細胞支架為主，目標是開發能對細胞增殖和分化能力都有幫助的生物衍生支架、生物模擬支架和脫細胞支架；「人工細胞培養應用」醫用材料目前發展是以溫度敏感型高分子材料為主，可以克服在細胞含量較高的組織工程之限制，進行細胞層片組織工程的製作和臨床應用。生醫材料專欄「再生醫學應用的醫用材料」一文釐整在組織工程與人工細胞培養所使用之醫用材料趨勢，雖屬前瞻研發階段，但值得產業評估投入。
材料補給站專欄帶領讀者親臨2018年1月在東京國際展覽館盛大舉行的第47屆電子研發暨製造綜合展「NEPCON JAPAN」，同步還有第10屆「汽車技術博覽會(Automotive World)」、第4屆「可穿戴式設備與技術博覽會(Wearable EXPO)」以及第2屆「機器人開發活用展(RoboDEX)」與「智慧工廠博覽會(Smart Factory Expo)」等相關展會。這場2018年初最受業界矚目的盛事，在主辦單位Reed Exhibitions Japan全力推廣之下，展會主題多元又豐富，共有2,480家的廠商參展，其中有439家來自全球34國，參展商數再度創下新高紀錄，並帶來近12萬的參觀人潮，展會規模為歷屆之最。材料補給站專欄「從NEPCON JAPAN與Wearable EXPO 2018看電子構裝與穿戴式裝置之最新發展趨勢」一文提供第一手直擊報導，讓讀者近身感受展場重點，探索更多新的體驗與想法。
傳統金屬製品材料表面製造流程中會有拋光製程，散布粉塵極可能遭遇火花引起爆炸。金屬拋光粉塵存在於通訊、電腦、汽車、日用金屬製品等製造業，電化學陽極處理是一般工業所熟悉的製程，「使用生物輔助環保電解液進行金屬模版轉印及拋光」一文針對電解拋光液體以及拋光系統上做出改良，能改善拋光製程中廢液對環境的危害，也能節省人工拋光的人力成本，亦可以避免具有性命威脅的粉塵爆炸。這項研究於拋光液以及系統（甘油與磷酸系統），加入生物菌（EM菌）來改善拋光效果以及電化學拋光轉印。至於陽極處理的部分，也在產品上生成一層有顏色之氧化層（低溫），以氧化膜厚度的不同，形成不同的顏色，來取代傳統陽極處理表面重金屬染色染料之成本，更可以減少染料對於環境之危害。
「熱門專利組合」專欄扣合技術專題，為讀者推出相關的熱門專利組合。本期精選工研院材化所在「固態電解質」、「檢測服務平台」兩大領域之專利組合。「固態電解質專利組合」計有大電通量電池結構設計、固態電池之無機材料、固態電池之有機材料、高安全鋰電池負極材料；「檢測服務平台專利組合」計有表面與光學檢測、材料化學晶片與高通量檢測、電鏡技術、電池極板與塗佈技術。總計共八項資料豐富多元，有興趣合作之讀者請與材化所智權室聯繫。
凡對以上內容有興趣的讀者，歡迎參閱2018年3月號『工業材料雜誌』或參見材料世界網，並歡迎長期訂閱或加入材料世界網會員，以獲得最快、最即時的資訊！