王星淳/工研院產科國際所
市場正極材料需求結構逐漸發生變化
1. 正極材料需求量變化
2022年鋰離子電池正極材料發展，以往著重在三元與高鎳材料的技術開發，近年來隨著三元系材料(以下簡稱NCM)鎳元素添加量增加，安全性問題持續受到挑戰。在國際間，三元系電池產品爆炸、自燃等新聞持續發生，也因此安全性一直為電芯廠頭痛的問題。在這樣巨大的挑戰下，2021年電動車大廠Tesla宣布將旗下Model 3系列電動車電池系統開始推出磷酸鋰鐵體系(以下簡稱LFP)，LFP相較於NCM結構較為穩定，在充放電過程中，比較不會發生因結構崩壞而使易燃氣體釋出，產生安全性的疑慮，且熱穩定性較為穩定。在如此發展下，各車廠紛紛開始考慮使用LFP電池系統，使得LFP需求量在2022年成長一倍。另一部份快速成長原因在於，中國為電動車主要發展國家，各車廠發展也逐漸使用LFP為主要電芯應用，2022年中國LFP電動車裝機量已超過NCM裝機量，來到56%。預計在2025年全球LFP與NCM將會到達1:1的市場需求(如圖一)。
圖一、2016~2025年正極材料需求量趨勢預測
2. 正極材料價格變化
在價格方面，隨著疫情與國際間的鎳礦供應結構發生變化，在電動車需求量不減的情況下，三元系材料價格在2021年下半年開始上漲，2022年Q1呈現暴漲趨勢。由於價格上漲使成本壓縮與安全性的雙重考量下，下游廠商逐漸轉向使用LFP，減緩了NCM的部份需求。在Q2後NCM材料價格呈現平緩且有緩慢下降的趨勢，但價格在近兩年來依舊維持高點。而LFP由於在市場需求結構改變，需求量開始增加，原本低價的LFP材料也出現上漲趨勢，電芯廠甚至出現供不應求的情況。在價格表現上，2022年6月LFP材料價格，相較於2021年一月已成長5倍左右(如圖二)。
圖二、2021~2022年主要正極材料價格趨勢
正極材料發展體系中，由於LFP的能量密度相較於NCM低，因此在電動車應用上分成兩個體系的應用。在高能量電動車，如高階乘用車、超跑等，在電池設計上仍會使用NCM電池體系；而平價化、大眾化電動車、電動機車等，則會傾向使用LFP電池體系，也因此在應用發展上仍有相對應的族群存在。另外，兩個體系依然針對各自安全性與能量密度提升的問題持續研發，以下章節將針對NCM與LFP各自的發展現況一一做說明。
三元材料發展現況
1. 高鎳三元材料發展現況
由於NCM材料為層狀結構，有較多鋰離子儲存空間，並隨著鎳金屬的含量增加進而提升能量密度，在產品區分上，會依照鎳金屬(N)、鈷金屬(C)及錳金屬(M)的合成比例不同，而有不同的命名(如LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2; NCM523)。但研究發現，當鎳含量過多時，NCM在多次充放電下，顆粒容易在表面產生微裂痕，此現象容易使顆粒粉碎，且鎳含量過多時，也容易產生鋰-鎳混排現象。此現象在於鎳的離子半徑與鋰離子半徑相近，而產生鎳離子佔據鋰離子的位置現象，使結構更進一步崩壞，且結構上的破壞造成大量的氧氣釋出，更進一步與電解液反應生成大量的易燃氣體，最後安全性逐漸失控(如圖三)。因此在發展上，鎳含量高於80%的應用會進行表面改質技術，來保護高鎳材料的結構問題。另外，在能量密度與安全性的衡量下，出現將錳換成鋁(Al，A)而形成NCA的材料發展。由於鋁能更有效維持結構上的穩定性，因此鎳含量可來到90%以上的應用，大幅提升能量密度及部份提升安全性，但技術門檻相較於NCM更高，成本也隨之提高，目前僅部份車廠使用中。
2. 單晶三元材料發展現況
除上述更換材料外，單晶材料的發展也受到重視。加拿大戴爾豪斯大學Jeff Dahn教授自2016年與特斯拉進行產學合作，目前為Tesla首席科學家，聚焦於提升鋰離子電池能量密度的技術研究。2022年3月美國佛羅里達國際電池研討會中(IBS)發表團隊研發成果，主打百萬公里的電池技術，是使用單晶NCM523正極材料搭配人造石墨以及特殊開發的電解液進行電池開發。研究結果顯示---以上為部分節錄內容，完整資料請見下方附檔。