電池關鍵技術 制勝電動車未來
為了後代子孫，歐洲聯盟執行委員會於2021年7月14日宣布對抗氣候變遷的大規模計畫，包括2035年起禁止銷售新的汽油車、柴油車和油電混合動力車。儘管新冠肺炎疫情於全球持續作亂，電動車供應鏈吃緊，但電動車市場成長速度卻能力驚人，電動車(包含純電動車、插電式油電混合車、油
電混合車)的銷售力道非常強勁，2021整年度的全球銷售量來到638萬輛，比2020年大幅成長97%。全球電動車輛銷售最好的品牌TESLA在2021年電動車銷售數量逼近100萬輛(達93萬6,172輛)，創新高紀錄，年增87%，也超越原先設定的年增5成；其中Model 3車款為台灣進口豪華房車(不含休旅車)2021年總銷售量排行第一名(5,603輛)。展望中長期全球電動車市場發展，2025年銷售量將達2,850萬輛。
再生能源的概念在過去數十年間漸漸浮上檯面，歸因於傳統的發電模式(化石燃料、核能)會間接導致全球暖化及環境危害等問題。目前各國積極發展能源轉型，目的在本世紀末達成淨零排碳的目標。事實上，電池儲能系統與再生能源密不可分，因為再生能源通常是不間斷且穩定地在產能，需要先儲存後再重新分配能源使用時機。其中，鋰離子儲能系統因具有高電壓、高能量密度及長循環壽命等優勢，廣泛應用在再生能源領域，同時在行動電子產品、電動運輸載具等也占有一席之地。然而，傳統鋰電池電解液有易洩漏、易燃等隱憂，因此近年來的發展方向為將電解質替換成更安全的固態材料。「高分子型固態電解質」重點介紹樹脂高分子及樹脂-無機材料複合固態電解質，另外亦說明工研院材化所樹脂電解質之開發概況。
「高功率鈦基負極材料及電池」剖析工研院能快速充放電並兼具長壽命的鈦基負極材料技術。鋰電池經各方面的努力，如增加電極材料熱穩定性、導入鍍陶瓷隔離膜、耐燃電解液的開發等，將安全性盡可能地提升，但由於電池能量密度也同步提升，仍有安全疑慮。鈦系負極材料如Li4Ti5O12、TiNb2O7等，因平均工作電壓較高的關係，較難生成鋰枝晶而擁有較好的安全性，同時循環壽命及倍率性能亦良好。所以，使用鈦系負極之鋰電池同樣具有可快充、長壽命、高安全、低溫性能佳等特性，適合作為特別是用於惡劣環境之鋰電池負極材料。
環保意識抬頭與電動車浪潮崛起，過往的鋰離子二次電池已面臨下一個世代的能源轉型壓力。人們對追求高能量、快速充電與長壽命的理想電池變得更加渴望與需要，其中的關鍵材料—鋰金屬負極，被視為因當年鋰一次電池的不足，而成功商業化鋰離子電池後，能真正實現鋰金屬二次電池化的機會，也將會是鋰電池的下一波革命元年。然而，鋰金屬長年無法解決的枝晶問題所衍生出的壽命衰退與安全性等困擾，導致商品化困難，市場接受度也備受挑戰。「高能量密度車用鋰金屬電池開發現況」從鋰金屬電池為出發的角度來全面性掌握當今最新的技術，包含液相與固相面的機制原理，並介紹具全球指標性的能源新創公司，逐一拆解其技術面與所面臨的挑戰。
鋰鐵電池(LFP)無毒、無汙染，可有效降低環境衝擊，加上鐵礦在全球蘊藏量豐富、原物料價格不像三元材料(NCM)的鎳礦和鈷礦波動太大、循環使用次數可高達數千次，其能量密度雖較三元電池低，但熱穩定性和安全性都比三元電池好，成為全球發展儲能系統和各家半導體大廠不斷電系統(UPS)解決方案的首選。台積電因看好鋰鐵電池具備的優勢，繼UPS採用鋰鐵電池後，也再度宣布將調整高效能運算電腦機房的供電架構，改以鋰鐵電池直流供電系統。儲能系統應用中防火安全和電池壽命是重要要求，「高安全鋰鐵電池儲能系統安全技術」從電池芯和電池單元模組介紹防延燒安全設計，儲能系統的熱失控防護應該在電池單元模組以下進行設計控制；文中也介紹工研院CHEM SEI長壽命和高安全類固態電解質技術在鋰鐵儲能電池的應用。
邁向2050年淨零碳排的新救星—氫能
國際氫能委員會(Hydrogen Council)在COP26會議中強調，在2050年零排放的情境下，全球有20%的能源將是來自低碳能源生產的「綠氫」(Green Hydrogen)所貢獻，綠氫將是高碳排產業是否能在未來5~10年成功朝低碳轉型、並維繫其產業競爭力的重要關鍵。來自國際對各部門碳排的約束力道愈來愈強，而現階段壓力最大、受到重重檢驗的對象，首推「難減排產業」，包含：鋼鐵、水泥、塑化等傳統重工業，以及航空、航運等高耗能交通產業，這些行業每年合計全球近30%的排碳量，各有其難以低碳化的關鍵製程或仰賴的原物料。然而，危機便是轉機，氫能正好可作為這些產業所需的燃料或能量來源，若能搭上綠氫的轉型列車，難減排產業不但有機會擺脫「氣候戰犯」原罪，更能替自身產業引入創新泉源。
近年來由於能源成本節節高升，各國亟需尋找其他替代能源；另一方面，溫室氣體的排放促使各項再生能源、節能與新型態能源利用技術快速進展，氫能遂成為不可忽視的新興議題。氫經濟受到國際減碳趨勢的推動，逐漸成為近期許多國家看好並加速投入的能源領域。即便廠商持續投入，現階段產業僅有化石燃料製成的氫氣具備商業化的規模。「全球氫能發展趨勢」介紹氫能應用的發展與趨勢，以及各國的推動做法與目標，以透視全球氫能產業發展狀況與未來展望，作為相關業者投入及發展參考。
為了營造淨零碳排的遠大目標，各國政府對於車輛行駛時的排碳量限制日趨嚴格，燃油內燃機已無法滿足相關法規的規範，各大車廠陸續投入純電池車輛與氫能源車輛的研究開發。「氫能於車輛的應用」介紹目前汽車產業面臨的排碳量議題以及氫能源車輛的發展現況。氫能產業的應用落實，燃料電池車將是一股重要的推動力量，在燃料電池車受限於成本或基礎設施等問題而未能達到經濟規模時，因鋰電池受限於重量能量密度較低以及充電時間長等因素，大部分車廠仍然看好燃料電池於商用車領域的應用，載貨量大、行駛距離遠且使用頻率高的商用車被認為是氫能源的最佳應用場域，這將是燃料電池移動載具應用的可期待市場。
「氫能於工業製程的應用」一文指出，隨著全球減碳的趨勢，氫氣被關注的項目已從化學原料轉到能源應用，特別是那些高耗能產業如鋼鐵、石化、交通與工業熱源供應等，國際間無不投入大量資源進行研究與開發。氫氣的可應用層面廣泛，目前氫氣主要用於煉油、生產化肥和鹽酸之用，少部分用於半導體、電子材料的製程。在能源上，氫氣的使用方式為經過燃燒或電化學所產生的能量，可用以供電、供熱使用，為氫氣經濟(Hydrogen Economy)的一環。隨著企業低碳轉型，過去幾乎完全沒有利用氫能的部門也開始逐漸採用，例如交通、建築和發電。
為達成2050年零碳排願景，各國政府與企業皆積極提出氫能政策與目標。看準未來氫能在能源需求的占比、於陸海空交通工具的應用、加氫站取代加油站、氫燃料電池等發展商機，相關投資方興未艾。如同天然氣，氫氣為氣態燃料，須以高壓儲氫瓶盛載，才能安全地儲存與輸送。「儲氫高壓氣瓶」概述氫運輸或儲存所需壓力容器之應用概況，包括加氫站、乘用車、軌道車輛、航空器等；此外，也簡介氣瓶型式種類及其結構和所用的材料、檢測的方法；最後說明國內相關產業能量現況。
主題專欄與其他
伴隨行動通訊普及與資訊傳遞快速成長，可見光無線通信被視為具有高度潛力可以改善現今無線網路技術所造成的訊號延遲與受限的訊號傳遞速度。而要實現可見光無線通信必須開發對應之材料與光電元件，「光驅動有機電子元件發展趨勢」針對光驅動有機電子元件，包含光學記憶體、光感測器、人工視網膜以及人工神經元之發展趨勢進行相關說明與介紹。光學記憶體的開發主要著重於光活性駐極體材料，包含浮動式閘極與施體-受體型高分子系統的開發；紅外線感測器與人工視網膜同樣具有高光敏度與光鑑別力之特性，主要區別於操作頻譜的設計；人工神經元需要具備較高的揮發度，並且能夠展現高光敏度之特性，從而實現神經行為的模仿。藉由開發更高光敏度與低電壓操作之光學活性材料，期望能夠實現低延遲與低能耗操作，實現光無線通信技術。
限塑環境下，各國提倡減少一次性塑膠產品的使用，推動可生物分解或可堆肥分解之塑膠應用。全球品牌大廠（如：雀巢、聯合利華、可口可樂）亦承諾2025年塑膠包材皆可再使用、回收或可環境生分解。在全球急籲減少塑膠使用量之聲浪下，若生分解包材上黏合之接著劑不具生分解性，仍將會造成環境問題。有鑑於此，「PBAT聚酯生分解熱熔膠」介紹工研院開發之可生分解性熱熔膠，應用於紙容器或是生分解之食品包裝，除了能確保使用安全性並降低環境負擔，更是循環經濟下一個新的商業機會。
目前國際上針對生質塑膠最終處置的方法，是以生質塑膠是否具可生分解性來作為處置方法的考量依據，並以形成封閉式的循環系統為主要精神。然而，循環經濟的最終目的，即是盡最大可能的方式延長材料使用壽命，至無法重複利用後，始進行材料循環再生(機械或化學回收)、有機循環(堆肥)以及能量回收(焚化)等處置。「國際可生分解/可堆肥塑膠使用廢棄後之最終處置方式探討」就現階段國際對於可生分解/可堆肥塑膠使用廢棄後的最終處置方式進行探討與說明。結論指出有機循環為可生分解/可堆肥塑膠最具優勢之最終處置方式，同時可生分解/可堆肥塑膠的有機廢棄物所產製的堆肥經濟效益必須被認可，始能吸引堆肥業者投入，形成一個完整的封閉循環系統。
化學/化工專欄「化學鍍製備金電極血糖試紙介紹」延續上期探討各類感測器相關的基本原理、機制、製程方法、應用優缺點等。近幾年來得到糖尿病的人逐漸變多，葡萄糖感測器的需求亦逐漸提高，增進血糖試紙的消耗量。通常血糖計使用的黃金電極是以化學氣相沉積法所製作而成，此方法成本較高。以化學鍍製備金電極血糖試紙，不但成本較低，利用氧化還原的方式上鍍所需金屬薄膜，能得到良好的均勻鍍層，加入酵素後，經由電化學分析結果可知其偵測葡萄糖濃度具有高靈敏性，電流訊號有極高的決定係數。
專文篇篇精彩，歡迎賞閱！凡對以上內容有興趣的讀者，歡迎參閱2022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！