鋰電池技術―淨零碳排綠能產業的最佳男主角
為應對氣候變遷，2023年2月14日歐洲議會正式通過法案，自2035年起全面禁售燃油車。2022年全球純電動車賣出780萬輛，與2021年相比增幅多達68％；在2022年台灣汽車整體總銷售量雖受到晶片、貨運、戰爭等因素呈現萎縮態勢，但各車廠積極將電動車導入台灣，使得台灣到2022年底已
累積有28款純電動車可販售，其中電動車的銷售占比從2021年7,064輛的1.57%，成長到2022年16,120輛的3.75%，全年度電動車總市場銷售量也有非常顯著的提升，達到超過200%的成長率。根據台灣政府在2022年3月公布2050淨零排放路徑及策略規畫，2025年市區電動公車普及率要達到35%、2040年市售電動車/電動機車要達100%，帶動台灣相關電動車和儲能用的產業鏈即將大爆發成長。
鋰離子電池應用日趨多元，舉凡3C產品、智慧電網、再生能源等都有它的身影；隨著氣候變遷加劇，為邁向2050年淨零排放願景，綠色運輸成為全球趨勢，電動車相關技術發展備受矚目，從汽車大廠、工業集團到新創公司，都積極投入下世代電池的開發，帶動動力鋰電池市場爆發性成長。電池被稱為是電動車的心臟，占電動車成本將近四成。鋰電池的開發除了在能量密度、循環壽命、續航力、成本等面向外，安全性提升也是備受關注的關鍵技術。「電動車用電池技術」一文將先針對電動車與動力電池市場的產業趨勢、規模進行分析；接著針對多個相關的技術層面進行探討說明，分別是電池電極材料、電池芯封裝、電池集成技術；最後將與讀者分享工研院材料與化工研究所在車用動力軟包VDA 355電池的研究成果。
近期商用市場針對提升電池的安全性和性能，開發多樣化/功能化隔離膜，從開發新材料、設計新製程方法，到優化先進的製備工藝都有相關報導。其分別依據不同種類市場需求，探討功能性隔離膜開發的方向，也從提升電池安全性和性能的目標，展開不同種類隔離膜的設計策略，以滿足不同電池的安全需求。市調報告指出，在電動車風潮與電子產品消費增長的驅動下，鋰電池隔離膜市場於2022年至2026年間預計增長21.1億美元，複合年增長率為11%。隔離膜作為物理屏障來防止兩個電極直接接觸並控制電池中的離子傳輸，改質後的隔離膜用於電池元件更可抑制鋰枝晶並耐高溫。「次世代鋰電池隔離膜發展與未來趨勢」針對抑制鋰枝晶、耐高溫與高浸潤，整理幾種可行的策略，包括提供機械屏障、促進均勻的鋰沉積和調節離子傳輸等。
目前合金負極材料難以商業化的原因是低導電性、SEI膜的不穩定形成、劇烈體積變化導致電池在功率密度、首圈庫侖效率以及循環壽命上遭遇困難。矽雖擁有高達~4,200 mAh/g的理論電容量，是現今商用石墨負極的十倍以上，但矽負極材料還無法商業化的主要原因是，當鋰離子與矽形成鋰矽合金相時密度變小，進而造成體積會膨脹成原本的300~400%，此劇烈的體積膨脹會導致極板的崩解，進而造成循環壽命變差；此外，矽的低導電性亦限制其在鋰電池負極之應用。「高能量矽基負極材料在鋰電池的技術發展與現況」從業界鋰離子電池的使用方向及應用介紹，說明矽基鋰電池的基本原理，並簡介矽基鋰電池目前在學術界的分類，特別聚焦在矽基負極材料複合碳的合成方式，最後對矽基負極材料應用在鋰離子電池組裝進行系列文獻回顧。
隨著儲能系統及電動車等產業應用需求增加，鋰電池也朝向高能量密度方向發展。然而高能量密度的鋰電池系統一旦發生意外，無論是來自電芯內部，還是外部環境或使用不當導致的破壞，皆有可能引發電芯熱失控，這也是近幾年因鋰電池使用不慎或不明原因起火燃燒導致危害事件層出不窮的主要原因之一。為提升鋰電池應用安全，在電性、機械性、環境等基本產品安規測試以外，如何有效防止電池內部熱失控擴散的防延燒議題備受關注。「鋰電池防延燒全方位解決方案」介紹如何結合材料科技與結構設計來達成電池系統延燒試驗的安全要求，藉由鋰電池防延燒技術導入，可有效抑制電池熱失控擴散，降低電池延燒危害的風險，相信未來鋰電池的使用安全也會因此更有保障。
化合物半導體驅動能源效益新商機
在能源需求日增與全球淨零減碳浪潮下，再生能源、智慧電網及電動車等將成為未來市場主要趨勢，其中功率元件往更高功率、更節能及微小化等技術方向發展。然而矽基功率半導體仍是現有產業鏈的主流，工研院ISTI預估，2025年全球碳化矽市場可達約18億美元，化合物半導體在性能的優勢下，將逐漸替代部分矽基元件市場。碳化矽在電動車、再生能源及節能馬達等滲透率逐年增加，未來市場占有率高低仍取決於技術的持續突破與價格競爭力。而新一代氧化鎵半導體，目前不論技術與市場仍處於萌芽時期，國內產業於碳化矽的投入較晚，處在全球大廠的領先優勢下努力追趕，因此氧化鎵在全球先進技術團隊的領先優勢尚不明顯下，是值得國內產業投入的新興領域。
以矽基半導體做成的功率元件或模組在高功率的應用上，其規格需求已呈現力不從心的瓶頸，科學家從化合物半導體元素找出適合應用範圍的材料與技術。碳化矽(SiC)兼具寬能隙、高崩潰電壓、高導熱係數、高電絕緣性與高功率密度等關鍵特性，在電子元件的應用中具有快速切換、耐高溫及耐高電壓等功能；在高頻與高功率電子元件和模組構裝製程中也具有較理想的熱膨脹係數，是高頻、高功率以及高散熱需求應用的理想選擇。「碳化矽模組的產業技術與應用趨勢」就化合物半導體在功率模組的發展趨勢以及電壓應用需求與市場進展，並且針對模組構裝所需之材料市場成長大趨勢進行探討。
化合物半導體近年快速發展，除了因其優越的材料特性之外，市場驅動力扮演更加重要的角色。功率模組在能源需求日增以及淨零減碳的浪潮下，化合物半導體也開始逐漸滲透市場，碳化矽與氮化鎵在多年的發展後開始嶄露頭角。前者隨著晶體技術的進展，垂直型元件發展快速；後者則因為晶體技術不成熟，仍以異質磊晶的水平型元件為主流，市場也有所區隔。此外，作為更新一代化合物半導體的氧化鎵，近年也開始受到關注，有機會成為更高功率以及更節能的功率元件用晶體材料。「功率模組用晶體材料技術」針對未來在功率半導體深具潛力的碳化矽與氧化鎵晶體技術進行介紹，並說明相關機會與面臨的挑戰。
風力發電所需的高儲能設備、飛機/航空和深井石油/天然氣開採、電動汽車、高速軌道列車的發展等，皆需要更耐高溫與高可靠度的功率半導體元件，以承受125˚C甚至200˚C以上的工作環境條件，而下世代化合物半導體元件可以在高於500˚C的溫度下運行。因此，高溫下功率元件正常與否的關鍵之一，在於耐高溫高可靠度晶片接合技術(Die Attach)的研發，以確保高溫環境下功率半導體元件接著處的正常。具有價格優勢與低電遷移的銅燒結固晶接合技術在近幾年漸漸進入實用領域。「高功率碳化矽元件封裝技術最新發展(銅燒結)」聚焦銅燒結製程、可靠度、產業前景做簡單的文獻回顧，並介紹市售銅燒結材料與銅燒結接合技術的開發成果。
汽車產業朝向智慧、節能及安全化的過程發展，車用電子模組構裝技術扮演關鍵角色，包含電子控制單元模組、功率模組及先進駕駛輔助系統等。因應未來高頻、高功率技術發展趨勢，應用於車用電子模組之封裝材料技術也成為相當重要的環節。因此，「功率模組用先進封裝材料技術」針對功率模組構裝元件所需的封裝材料技術，包含高導熱材料、低介電損耗材料等趨勢進行探討，並綜整工研院材化所針對後端構裝應用需求所開發之封裝材料技術與關鍵原物料佈局，以期符合未來功率模組封裝材料技術發展需求。
主題專欄
鎳(Ni)作為電動車三元鋰電池的主要組成元素，已使得鎳金屬材料成為市場關注的重點。「汽車電動化對鎳金屬材料的影響」一文指出，透過包括：國家運用政策工具提升鎳應用技術；以豐富鎳資源搭配政策吸引國際業者進駐，帶動地方發展；國際標竿大廠與地方政府、礦場簽署長期供貨合約；於重要鎳礦產區投資設廠，從源頭直接掌握鎳資源；以及冶煉業者精進冶煉技術並布局關鍵原物料供應鏈，搶占市場先機等等，皆為國際市場目前應對鎳資源重要性大增的因應策略，可供我國業者在相關面向布局之參考。
5G通信在其傳輸速度方面帶來了新時代，並超越包括Sub-6和24 GHz在內的高頻頻譜。這種高頻應用趨勢推動了對具有高Q值和低介電常數及溫度穩定材料的需求。高可靠度的器件主要採用低溫共燒陶瓷(LTCC)技術製造，並與天線封裝在一起。然而，目前大部分LTCC陶瓷材料都由國際公司開發和製造，台灣還沒有能力獨立設計和製造高品質的材料。因此，台灣迫切需要發展材料設計能力並自行掌握原材料，以進行5G基礎設施建設。延續上期，「AI數據分析於5G LTCC陶瓷粉體開發應用」介紹使用數據庫和人工智慧模型等數位工具以數據驅動研發模式來加速LTCC陶瓷材料開發的經驗，利用實驗室累積的實驗數據，以機器學習建模幫助找出材料合成的重要因素，並研究初始評估模型及提供模型應用建議，未來將收集更多的實驗數據來完善模型以提高模型的準確性。
新材料的開發是費時費工且高成本的工作，從開發出來到導入產業使用需耗時十餘年。對產業來說，更換新的材料有時候幾乎是整條產線需要重新建立，原因在於更換成品某部位的材料，除該部位的製程需要做改變外，和該部位相鄰部件的材料和部件結構也可能需要做調整。因此除非是有突破性的改善，否則絕不輕易引入新的材料。然而，此種趨勢隨著計算材料科技的進步以及電腦計算速度大幅提升，已經有了轉變。結合最新的計算材料科學技術以及機器學習技術，可以從關鍵部位的材料出發，到整體成品的性質直接做分析，大幅縮短新材料開發到應用的時間和成本。延續上期，「數值模擬與機器學習技術應用於材料開發」介紹新材料開發的最新技術流程，並以機器學習應用在電解液開發以及多物理(數值模擬)技術應用於碳化矽長晶爐開發為例，做詳細說明。並點出第一原理計算、計算熱力學、多物理(數值模擬)計算以及機器學習是材料開發最重要的四大工具。
常見的熱固性樹脂有環氧樹脂、聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂、雙馬來醯胺、熱固性聚醯亞胺等，因為其化學反應經過密集的交聯反應，材料具有良好的耐衝擊強度、抗腐蝕、耐酸鹼、耐候的特性，因此廣泛應用於電子/電氣、風電、汽車、軌道交通、建築等領域。雖然熱固性材料具有很好的特性，但也因為分子鏈是透過化學交聯在一起，形成一個剛性的三維網絡結構，在聚合過程中這種交聯結構不能重複加工成型，且此交聯反應為不可逆的化學反應，當這類材料在使用壽命到期時，就會面臨到無法回收的困境，長年以來累積大量的退役部件，對環境造成極大的傷害。「可回收熱固性材料發展趨勢」介紹可回收熱固性材料發展的趨勢，以及材料回收的技術與現況。
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