陳振崇、陳立群、賴冠霖／工研院材化所
近年來，可充電鋰離子電池因具有高電壓、高能量密度和長循環壽命等優勢，廣泛應用在3C、電動車、新能源市場等領域，可說是目前應用最廣泛的主流儲能裝置。為了讓電子產品可整合更多應用功能，鋰電池規格如高能量密度、長壽命等需求與日俱增。然而，隨著能量密度提高，也伴隨電池安全疑慮的增加，為解決這些問題，各大廠都積極研發全固態電池，將傳統鋰電池使用的有機易燃電解液，改成難燃固態電解質材料，以提高下游應用產品安全性。
【內文精選】
前 言
2019年全球電動車市場已處於火熱之際， 國內在政府政策補助下，首先發酵的是智慧型電動機車，如：Gogoro、SYM、KYMCO、YAMAHA等機車品牌大廠所開發的電動機車目前在台灣已隨處可見；而電動汽車在台灣則仍未普及，主要原因在於電動汽車行駛距離（續航力）、充電站的數量、快充性能、安全性能與降低成本等關鍵條件還有待提升。因此，車用鋰電池的發展也將遵循此方向進行開發，將致力提高能量密度、縮短充電時間、提升電池循環壽命以及安全性，來滿足車用市場的要求。
鋰離子固態電池(Solid-state Lithium Ion Battery)為兼具安全與能量密度而開發，除核心為固態電解質的開發外，同時也須包含高能量密度正負極材料的研究，甚至帶動相關電池製造技術改良。本文接下來將介紹固態電池面臨的問題與國際大廠/先進研究單位在固態電池開發與發展之現況。
固態電解質材料躍進
電池內部設計，除電極端屬固態設計外，至今商用電解質仍舊以液態設計為主。而所謂固態電池是將電池中易燃的液態部分改為安全固態物質，雖其優點為安全性佳、不漏液、不需隔離膜，更可有機會實現能量密度高之儲能元件；但缺點為導電性能不佳、界面阻抗高、與低溫特性差等問題。截至目前，因應電解質逐漸改良，可由文獻中得知，現今研究學者已可大幅提升固態電解質性質，並指出相關使用區間的各項固態電解質種類，如圖一所示。
圖一、固態電解質種類
目前相關研究文獻已經發現了幾種室溫下離子導電性能相當於液態電解質的鋰離子導體，可細分為四大類：第一類為石榴石型電解質，如LLZO；第二類為NASICON型，如LATP；第三類為硫化物系列電解質，如Li2S-P2S5、玻璃陶瓷、Li10GeP2S12 (LGPS)及其衍生物；第四類為聚合物類電解質，如PEO等。對於這四大類材料特性，圖二為個別針對離子電導率、面電阻、電化學視窗、對鋰穩定性、空氣穩定性及規模化製備的難易程度來進行比較。
圖二、固態電解質材料的雷達圖比較（根據離子電導率、面電阻、電化學視窗、對鋰穩定性、空氣穩定性及規模化製備的難易程度）
固態電池廠商開發概況
中國寧德時代新能源科技公司特別於2019中國國際電池技術展覽會(CIBF-2019)點出，固態電池開發如欲問世，須於界面匹配、界面離子傳導、材料穩定性與製程加工性進行深入研究。該公司固態電池設計除以硫化物電解質為主，且為使電解質能有效緊密與電極接觸，採用高溫壓延製程佐以緩衝層設計概念，可有效消除界面阻抗現象，使得1.8 Ah LiCoO2/Solid Electrolyte/Li4Ti5O12鋁塑膜雛形電池於500圈下，電池殘電率達99%以上。而韓國三星在Advanced Automotive Battery Conference Asia 2019 (AABC Asia, 2019)提出Anode-free鋰電池概念，除於高鎳三元系材料結構上施以LZO（即Li2O-ZrO2）塗層外，電解質採硫系電解質系統(Li6PS5Cl)，並於負極側以Ag-C作為主負極結構，除透熱加壓封裝測試外，也透過電池內機械應力設計，可有效阻擋鋰枝晶並提升循環充放電性能，也成功開發出0.6 Ah電池能量密度超過900 Wh/L之雛形電池。
豐田汽車實驗室目前已完成開發400 Wh/L的全固態電池，往量產化邁進，並與東京工業大學、大阪府立大學等多家研究單位共同開發固態電解質，預計2022年至2025年發布搭載固態電池的電動車…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》400期，更多資料請見下方附檔。