驅動台灣下一波綠能產業新經濟之鑰—高安全電動車電池與模組
根據IEK的調查，2016年全球車用鋰電池產值達4,000億台幣，預估至2020年，全球車用鋰電池產值將高達1兆2,000億台幣。日本先端科技調查報告也指出，2030年電動車年銷售量將達1,000萬台，其中純電動車年銷售量為650萬台，插電式電動車為350萬台，所需的
電動車動力鋰電池需求量將高達554 GWh，將是2017年全球電動車動力鋰電池需求量(48 GWh)的12倍。為了加速電動車發展與普及化，動力鋰電池系統的發展是其關鍵，未來動力鋰電池的技術將朝向高能量、高安全、低成本、長壽命與快速充電等方向發展。因此，需要開發新世代高能量及高安全動力鋰電池材料/電池芯/電池模組/電池系統技術，以符合未來電動車、電動機車、電動巴士與儲能系統等的電源需求。
因應全球暖化、節能減碳、降低空汙，全球都在發展電動車。動力鋰電池（電池管理）系統約占電動車成本的30~40%，是電動車最關鍵的次系統。因此發展具有高安全、低價與高能量的動力鋰電池來應用於各種電動車輛，是鋰電池最重要的課題。「電動車動力鋰電池市場與應用」將分兩期，為讀者詳細介紹油電混合電動車(HEV)、插電式混合電動車(PHEV)、純電池電動車(EV)相關所需之電池系統，各類電動車對電池系統的選用要求不同，不同電池材料，可以組合成各種不同性能的電池。期藉由新世代高能量電池製程與材料技術的介紹，喚起大家對電動車動力鋰電池的重視與投入布局，及早掌握電池儲能系統的產品商機。
市場對可攜式行動裝置與電動車輛需求與日俱增，加速高能量密度鋰電池時代的來臨。電池製造商開始引用高能量材料、高電壓操作及電池組空間使用率降低等方式達到提升能量密度的目的，進而可能造成鋰/鋰離子電池使用上的安全隱憂。「高安全電池極板技術」一文指出，先進鋰電池製造商研究鋰電池的安全防護，除靠電池外部元件防護外，也開始透過電池內部極板材料設計進行改良，如導入絕緣阻熱層於隔離膜或電極上進行物理性防護與導入高分歧寡聚物來抑制化學反應。在新世代的鋰離子電池競爭中，誰能掌握關鍵安全技術，就能站穩在全球鋰電池市場供應鏈的頂端。
「電動車電池之安全設計技術」則從鋰電池芯角度出發，分兩期介紹當電池發生異常時電池內部熱分解反應的發展，以及各種誤用測試的安全測試方法與相對應電池行為，最後從鋰電池元件的觀點，介紹如何從正極、負極、電解液、隔離膜及安全元件角度，提升電池的安全性。總結電池芯方面可從電池配方設計及結構設計方面來提升電池安全性，藉由材料表面改質技術來提升材料的熱安定性；電解液則可往降低燃燒性方向開發，開發難燃性的液態電解液，甚至是採用固態電解質；隔離膜方面需提升熱安定性以降低內短路發生時的危害，陶瓷隔離膜是一個不錯的選擇；在電池結構上加裝安全元件也可提升電池安全性；而在電池組方面需有良好的熱管理設計，除了提升電池組的使用壽命，在單一電池發生熱失控時也能將危害侷限在特定區域內；另外電池管理系統除了正確管控電池在合適的操作範圍內運作，當電池有異常情形發生時能及早偵測出來，特別是電池內短路，俾能有足夠時間做合適的處置，大大降低電池組熱失控的風險。
電動車電池模組壽命不佳或電池模組燒毀的消息時有所聞，加上電池模組延燒測試的項目欲納入安全測試標準，因此電動車消費者或製造廠商對電池模組的安全性、妥善率、壽命與成本都越來越注重。評估電池與電池模組的安全性在車用電池模組裡相當重要，「電動車電池模組熱模擬與安全設計」在實際模組的安全設計中，利用模組針刺安全測試來描述熱模擬分析在電池模組安全設計的應用。通過計算方法找出熱路徑與設計來防護延燒現象發生，是一種有效且節省成本的方式，亦可避免直覺設計所造成的誤導。
電池管理系統(BMS)已廣泛地應用在各類電動車、不斷電系統以及儲能裝置。電池管理系統可對電池進行管理，以避免操作中發生電池過度充/放電等異常事件造成電池系統失效。一般來說，低壓/低串數的電池管理系統大多採用集中控制架構來處理、儲存各串電芯的資訊。然而隨著電池系統的電壓與能量增加，整個電池系統的電芯串並聯數量也隨之增加，當電池系統的串聯數量增加時，中控型BMS的網路通訊與主控單元的運算負荷將大幅增加，不利於安全性的即時監控，萬一某串電芯之單元電池組需要汰換或是檢修時，通常需耗費相當多的時間與資源來了解電池整個系統的現況，才能挑選與現有系統匹配的單元電池組。「高壓電池系統分散式管理技術簡介」一文介紹一種專為高壓高能量電池系統所開發之分散式電池管理系統(DBMS)技術，解決現有集中式電池管理系統架構的缺點，此架構最大的特點在於每個單元電池組除了具備電壓與溫度量測訊號採集功能，還具備完整BMS之電池資訊監控的演算法與資訊保存功能，相當於每個單元電池組都自帶健保卡的概念。
更舒適精準的穿戴式貼身守護—可拉伸電子與材料
物聯網技術盛行為科技產業帶來重大變革，消費需求日趨多樣化和個人化，可預見未來電子產品的功能將變得更加多元，其中又以人體生理感知與外在環境監控對於消費者的需求性最高。若進而串聯生技醫療、智慧型織物及智慧機械等相關技術，可望開發出各式各樣不同之應用領域。特別是穿戴裝置所驅動的健康經濟，也將使隨身生理量測的方式逐漸由目前的近身模式(Close The Body)，進化至未來的貼身模式(On The Body)與植入模式(In The Body)，以進一步確保各受測者的絕對安全，與活動力及生產力的提升。智慧化科技電子系統產品樣式除了輕薄，也要求量測準確及穿戴舒適，因應未來商品要求舒適性與長時間配戴，使用在裝置內的系統級封裝(SiP)元件將聚焦於軟性化及可塑型化發展。
電子技術迅速發展使電子設備微小化，帶動可穿戴式電子技術演變發展，可以融入人體且功能性多，可適性電子產品能貼附在人類身體表面，更能深入探索生理資訊。雖然目前已經製造出許多軟性元件，例如觸覺感測器、光電探測器、熱傳感測器、軟性顯示器等，但仍然缺乏在可拉伸基底上構建的研究。在未來的發展中，軟性電子元件在可拉伸線路和彈性體基材的整合中一定是個重要課題。「可適型基板結構設計介紹」針對可適性材料結構設計進行介紹，文中提到的平面結構設計再整合立體導線結構，可以支撐更高的拉伸性，將金屬線材發揮更大的延展性，而拉伸測試所承受的應變就會更小，讓電性更加穩定。未來對於嵌入可拉伸封裝材中的電線，投入開發凝膠式密封技術，便能進行更多的研究和測試。
隨著機器人人工感知皮膚、智慧皮膚、智慧穿戴衣物議題的興起，越來越多人開始關注相關的材料，如可撓/可拉伸的感測元件、薄膜電晶體、壓電元件、導電連接材料、電池等。可拉伸式導電材料在其中扮演著不可或缺的角色，近年來不管是展場或文獻上，越來越多廠商及學者發表相關的論文及產品。「可拉伸導電材料」一文主要針對可拉伸的導電連接材料進行相關的探討，並針對可達到拉伸效果的方式進行介紹，分別為藉由結構設計達成可拉伸式的導電連接材料、本質具有可拉伸性的導電連接材料兩種方式。拉伸導體材料要如何與硬式元件結合、同時維持產品可靠度則是目前此材料的最大瓶頸，若能突破，相信不久就可以看到相關具有感測功能的智慧穿戴式產品。
近年來可拉伸電子領域不論在學術研究或產品開發上都有突飛猛進的成長，顯示智慧醫療、健康照護的需求量越來越大。「可拉伸電子及其彈性基板材料技術」將可拉伸電子的製法分為複合結構及全伸縮電路兩類，分別剖析其技術現況及優缺點。並介紹數種代表性的可拉伸基板材料，包括熱塑型、熱固型、彈性體，及紙、布等生物可分解材料。文末以穿戴式醫療應用為例，列出可拉伸電子元件的規格目標，期待很快能有兼具性能與舒適的相關產品問世。
「軟性可塑型元件技術於下世代穿戴式產品之應用」一文指出，因應未來高齡化社會對智慧化生活之要求，期透過智慧化科技輔助運動休閒與健康管理，以強健身體、降低疾病發生風險、提升個人行動力與生活品質，有效養成國人健康管理習慣，帶動國內發展更多元的健康服務和生活服務。智慧化科技電子系統產品樣式除了輕薄，也要求量測準確及穿戴舒適。未來商品要求舒適性與長時間配戴，對於使用在裝置內之系統級封裝(SiP)元件在軟性化及可塑型化的需求為必然之趨勢。工研院電光系統所近年來致力於開發與驗證面板級高精細度多層線路製程及軟性系統級封裝技術，未來將整合相關技術應用於可塑型穿戴式產品上。
主題專欄
市場瞭望專欄「未來科技發展趨勢下之潛力材料」一文由工研院產經中心(IEK)蘇孟宗主任領銜，帶領分析師從「全球性的大趨勢所引發的材料需求」的市場與需求端角度，與「核心技術所發展出來的新材料」及「運用新生產技術或應用技術所生產的新材料」的技術與供給端角度，由材料的市場與技術、供給與需求兩個方向來觀測與分析未來發展的潛力材料項目。從市場需求端角度觀察，「城市內電動運輸工具需求」、「產品與食品長途運輸需求」與「材料循環再利用需求」是台灣材料產業值得關注的需求部分。而「輕量化電動運輸工具」、「延長並確保保存期限的新型包裝」、「可再生(Renewable)塑膠材料」是在這些需求中具發展潛力的產品品項。從標竿國家關注的材料種類觀察：功率半導體材料—碳化矽材料發展；高性能高電容二次電池，包括固態型、多價陽離子型、金屬-空氣電池、鋰硫等新型態二次電池；生醫材料—組織再造用的生物材料、細胞墨水等為受重視的項目。3D列印、MGI與AI技術將改變材料的應用方式、開發方式與生產方式，這些項目都將為未來材料的發展投入新的契機。
綠色環保專題「太陽光電模組之材料回收與資源循環技術」，接續上期介紹幾種已經實際使用在大型發電站的太陽光電模組產品及其回收處理方法，並探討各種回收材料之經濟效益與環保效益。文中闡述太陽能雖為綠色能源，但是相關設備也會產生大量的廢棄物。某些種類的太陽能電池在材料上使用稀有元素或貴金屬，因此太陽能廢棄物的回收除了具有環保上的考量，經濟上的效益也是值得考慮的。太陽光電模組的回收使用到各種化學與物理的處理程序，這些處理程序其實早已實際應用在其他種類廢棄物的回收程序上，例如電子產品廢棄物或五金的回收處理，因此使用這些處理技術將有助於進行太陽光電模組的分解及回收。太陽光電模組中含有多種塑膠類封裝材料，例如聚乙烯-乙酸乙烯酯及聚氟乙烯，回收程序上首先要將塑膠材料移除，才有辦法進行後續的分解回收處理程序，然而當相同材料使用在不同種類的太陽光電模組時，所對應到的回收處理方式仍然會依不同的模組結構特性而有所差異。
技術發表會
本期有工研院材化所發表的「IEC儲能系統用鋰電池安全標準發展」。國際電工委員會(IEC)於2017年2月發布國際標準IEC 62619，提供包含儲能系統應用在內的工業用二次鋰電池之基本安全要求與試驗方法。同時與儲能系統用二次鋰電池相關的安全標準亦積極制訂中，如IEC 63056等。未來隨著安全標準愈加完備，儲能系統用二次鋰電池的產品安全將更有保障。
在全球面臨氣候變遷與節能減碳的挑戰下，新興的綠能產業已成為各國逐鹿的主流能源產業，其中以太陽光電、風力發電產業發展最為快速，儲電系統顯得格外重要；先進國家如德、日、美、歐等國，近年來更將此列為國家之重要政策而積極發展。工研院資通所發表的「電池重組技術」，直接合成所需要之電壓、電流、甚至交流電，達到儲能/轉能一體化、系統低成本及高效率之需求。
熱門專利組合則推出工研院材化所在「高安全電動車」、「薄膜加工技術」兩大類八項優質專利組合。「高安全電動車專利組合」精選快速充電負極材料、電池充放電控制技術、電池安全性及散熱結構、電池監控管理技術；「薄膜加工技術專利組合」包括光學膜拉伸技術、擴散膜結構加工技術、軟性基板用離型膜技術、高溫可塑性電子材料。資料豐富多元，有興趣合作之廠商請與材化所智權室聯繫。
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