張家銘/工研院材化所
前言
中國國際電池技術展覽會/交流會（CIBF）是由中國化學與物理電源行業協會主辦的電池產業國際展覽會，每兩年在中國舉辦一屆，為國際上最大規模的電池相關展覽。本次技術交流會以”動力電池和儲能電池”為主題，共分為：先進電池的國內外市場和技術發展現狀與趨勢、下一代先進電池與材料研究進展、電動車與電池技術及應用新進展、動力電池技術及應用新進展、下一代鋰離子電池新型材料研究進展、固態鋰電池及其他先進電池研究進展、電池優化設計與新材料探索及其電池回收與電池組(包)優化設計、電池生產新技術與應用等8個Sessions。本文將以CIBF 2018技術交流會所收集到的相關資料為主要內容，整理成文，希望能藉此讓國內讀者更清楚了解中國動力電池與相關材料的發展趨勢。
中國動力電池發展趨勢
2014-2017年中國電池市場鋰離子電池成長快速，相較於鉛酸電池的緩慢成長，鎳氫、鹼性鋅錳電池衰退(圖一)，鋰離子電池已成為市場主流，而其中又以新能源汽車用的動力電池為大宗。中國新能源汽車從2015年開始大幅成長，預計到2020年新能源汽車年產量將達200萬輛，至2025年將佔汽車產銷20%以上，具相當規模的市場潛力，如圖二，也將推升對動力電池的需求和技術要求。
圖一、中國各類電池2014-17變化趨勢
圖二、中國新能源汽車2014-17產量趨勢
中國新能源汽車相關國家計畫分階段要求電池能量密度到2020年需達300Wh/Kg，2030年達500Wh/Kg(圖三)。目前動力電池發展可分兩體系：一為磷酸鋰鐵體系，磷酸鋰鐵搭配石墨電池能量密度120-180Wh/Kg，並且已商業化應用，搭配矽碳負極可達200Wh/Kg；另一為鎳鈷錳體系，目前NMC333及NMC532的電池已發展成熟並商業化，能量密度可達200Wh/Kg。圖四為NMC、LFP電池能量密度發展的Roadmap；由於2020年的能量密度目標為300 Wh/Kg，磷酸鋰鐵體系受限於磷酸鋰鐵本身容量及工作電壓較低，要達成300Wh/Kg的能量密度有所困難，故為了達成此目標，各家電池廠商均往鎳鈷錳體系發展，並且從NMC333及NMC532再往高鎳材料，如NMC622、NMC811、NCA搭配矽碳負極Si-C、SiO-C的電池進行開發，以期能達到300Wh/Kg的能量密度要求。圖五為2016-17年使用在動力電池的正極材料分布變化，2016 年LFP占比為70%，NMC占比為26%，到了2017年則LFP占比減少至49%，NMC則成長至45%，由此可看出，使用鋰鎳鈷錳體系的動力電池發展快速，且會是接下來的動力電池發展重點。
圖三、中國新能源汽車國家計畫電池內容
圖四、NMC、LFP電池能量密度Roadmap
而針對2025年目標400Wh/Kg，2030年目標500Wh/Kg，以目前現有的鋰離子電池體系已難達到要求，勢必要有新材料、新體系電池的導入，全固態鋰電池、鋰硫電池、鋰空氣電池為近期的熱門研究重點。圖六為這些新體系電池理論及近期研究所能達到的能量密度，雖然預計能量密度高，但均還有許多問題尚待解決，都還達不到商業化的規格要求，在本次技術交流會上的報告也不多。
圖六、新體系鋰電池能量密度
動力電池及材料開發進展
承前，中國動力電池發展趨勢近期以鎳鈷錳體系為主軸，且主要發展以高鎳系三元，如NMC622、NMC811、NCA為重點趨勢，並搭配矽碳負極以期能達到300Wh/Kg的能量密度要求，但高鎳正極和矽碳負極都還有許多問題尚待解決，如高鎳正極表面容易跟電解液反應產氣、高溫循環壽命不佳、容易吸水對製作環境要求較高、安全性低，矽碳負極則有首圈效率偏低、循環壽命不佳、體積膨脹過大等問題。本次技術交流會針對高鎳系三元+矽碳負極等材料及其組成的電池有許多相關研究及電池開發進展，以下節錄CATL、天津力神、比克、台灣泓辰在會中發表的電池及相關材料開發進展，以供參考。
1.CATL-高能動力電池之先進材料
CATL預估的未來電池材料發展趨勢如圖七，CATL預計將以Ni-rich NMC + 4V Liquid 電解液 + Si-Graphite來達成300Wh/Kg能量密度目標。高鎳正極部分遇到的挑戰為材料表面容易跟電解液反應產氣且容易劣化，還有其結構不穩定。針對這些問題，CATL以表面包覆降低---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。