呂學隆 / 工研院產科國際所
固態電池各項新技術的動向，以及其結合消費性電子產品、電動車、儲能等應用市場的量產化進展，為各界關注的產業重要焦點。在各廠商推出半固態電池產品等階段性技術創新與持續推進開發進度下，本文將從固態電池市場現況與未來預測作為開端，接續以固態電解質商品化來觀察晚近在小型電池應用、電動車用與儲能市場量產上市的發展現況，並簡介現今已達量產供貨階段之固態電池國內外產品與廠商發展，提供參考。
【內文精選】
固態電池市場展望：小型/薄型化固態電池已進入量產問世階段
綜整各界對於固態電池導入商品化量產時間之預測時可發現，在小型化(<1 Ah)/薄型化(單電芯厚度低於1 mm)的固態電池技術，因其聚焦於微型化、小型電子產品或元件應用需求出發，因此固態電池產品都以小容量且應用於穿戴裝置、智慧型行動裝置或IoT聯網裝置為主，也於2019~2023年間陸續有國際廠商導入量產階段。主要廠商包含太陽誘電(TAIYO YUDEN)、FDK、Murata等，其中如TDK、FDK、NGK均採用基於燒結的固態電解質，但是所生產成品電容量很小，因此不適用於大容量與大電流放電要求之動力電池。
太陽誘電是以該公司積層陶瓷電容技術，研發出基於LATP (NASICON)的MLCC類型製程，使用氧化物陶瓷系電解質的全固態鋰離子電池產品，如圖二所示，由LiMePO4 (Me = Mn, Co, Ni)、Pd金屬和鈷摻雜的 Li1+xAlxTi2-x(PO4)3 (Co-LATP)組成的複合式正極，抑制了陰極和固體電解質之間的相互擴散反應，使在800˚ C下烘烤成為可能。所得固態電池可在室溫至150˚ C的溫度範圍內進行充電和放電。目前少量銷售應用於智慧手錶等穿戴式裝置產品，目標在2021年量產後穩定將月產量提高至10萬個。
圖二、太陽誘電固態電池製程與電池內部疊片結構
中大型固態電池量產商品化進度多落於2025年前後
以國際電動車廠技術需求Roadmap觀察，目前均取得280~300 Wh/kg能量密度之電池可供電動車組裝量產。如Audi的技術藍圖中提到，2022年內逐步提升至320 Wh/kg之高鎳/矽負極技術，2025年導入固態電池；VW MEB平臺的技術藍圖(圖四)上提到，現有811正極/20%矽負極技術可將電池能量密度達300 Wh/kg，2030年進入全固態電池應用。至2025年前，歐美電動車廠技術發展上，正極普遍為高鎳811/955體系、負極以8~20%重量比之矽負極設計，長期發展規劃下，均考量導入固態電池技術，且大多規劃設定為2025~2030年間導入。
圖四、VW MEB電動車平臺電池技術藍圖規劃
固態電池技術新創業者與現有電池生產廠商也持續投入研發。如美國的24M公司(該公司為USDOE ARPA-E計畫資源衍生公司)，其開發的半固態電池電極將電極材料(磷酸鐵鋰和石墨)粉末與液體電解質混合製成有如黏土般黏稠的漿液，且不使用黏合劑，直接將電解質與活性材料混合，再塗覆到集電箔片上。此種作法無需大量使用惰性材料並省去部分製程(不需乾燥、溶劑回收、壓延和電解質填充)，可以減少不儲存能量的非活性材料(如銅、鋁和隔膜)的數量，並且比類似尺寸的傳統鋰離子電池的容量增加15%~25%，因此增加了電極厚度從而降低製造成本。該公司已就此技術與京瓷(Kyocera)、伊藤忠集團、泰國PTT合作，在美國、日本設廠(100 MWh/年)量產，應用於家用型儲能系統。產品內電池選用正極LFP，石墨負極與黏土狀半固態電解質+LiFSI，主打高安全性、長壽命應用，與液態電芯相比，可減少30~40%的使用空間，縮小產品體積。
2022年仍處小型試量產商品化階段，需待產品正式大量上市後觀察消費者導入評價
從未來應用角度切入，固態電池的商品化進程，初步將被廣泛用於電容量需求較小的市場，例如：用於智慧卡片、感測器的小容量裝置(1 mAh~10 mAh)、需100 mAh的穿戴式裝置、聽力輔助和藍牙裝置，以及小於1 mAh的可攜式電子裝置。至於更大容量的應用設計尚處於研發階段，要到2025年之後才能看出部分成果---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》429期，更多資料請見下方附檔。