工業材料雜誌三月號推出「高能量電池與材料技術」與「鋰電池回收循環技術」兩大技術專題

 

刊登日期:2021/3/8
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啟動綠能電動車之鑰—高能量電池    
因應全球暖化、節能減碳、降低空汙的趨勢,發展電動車與綠色能源已是全球未來產業發展的顯學!目前許多國家已經宣布將全面禁售燃油汽車,包括荷蘭與挪威(2025年)、德國與印度(2030年)、法國與英國(2040年)等。告別燃油車,電動車進入大成長時代。電動車市占率領先全球車廠的特斯拉(Tesla),不但是全球股價最高的公司,也是市值最高的汽車廠,其執行長馬斯克指出,2020年底Tesla電動車年銷售量將達50萬輛,引爆全世界投入電動車生產製造的熱潮,連蘋果(Apple)公司也摩拳擦掌要推出電動自駕車Apple Car。根據工研院材料與化工研究所推估,2030年電動車動力鋰電池需求量將達554 GWh,是2017年全球電動車動力鋰電池需求量(48 GWh)的12倍,年產值將超過3兆新台幣。高能量電池是啟動綠能電動車之鑰,已掀起全球投資熱潮,掌握新世代鋰電池與材料技術,就能搶占電動車的關鍵商機!

固態電池能量密度可高達350~450 Wh/kg,將使電動車行駛里程提高一倍以上。因應電池高能量密度的要求,磷酸鐵鋰和NCM-622以下的正極材料很難達到此目標,而含鎳量80%以上的高鎳三元正極材料,具有高容量、低成本和原料來源豐富等優點,是極具潛力的電池材料。然而三元正極材料隨鎳含量升高後,會衍生熱穩定性、安全性、循環性和倍率性能的迅速惡化,以及表面鹼度增加所造成的製程加工困難與電化學性能衰減問題。「鋰離子電池高鎳三元正極材料的進展、挑戰及展望」一文將分上下兩期,說明高鎳三元正極材料在高能量鋰離子電池的產業需求和技術發展趨勢,並論述高鎳三元正極材料應用前景的挑戰及應對策略之展望,最後分享工研院材化所在高鎳三元正極材料表面改質的研發現況與成果。

理想的鋰離子電池負極應滿足以下要求:具有高可逆的重量和體積容量、對正極材料有最低電位、高速率充電能力、循環壽命長、低成本、極好的抗虐待能力、環境兼容性。純鋰金屬顯然是在鋰電池被發明以來最好的負極材料,因為它沒有任何無活性重量(僅考慮特定容量)。但由於在充電的過程中容易形成樹枝狀鋰枝晶,導致電池內部發生短路,引發嚴重安全疑慮。碳與非碳活物在近年來都已朝高性能進行深入研究,並且本身的特性也重大影響了電池能量密度,特別是在電動車市場。基於電化學儲能原理,「高容量負極材料技術」一文討論創新的負極材料,包含常見的插層、合金化與轉換,並探討近年來被熱烈討論的無負極(Anode-free)電池。

隨著各式電子用品及設備遍布人類生活各層面,可充放電儲能裝置之規格要求大幅提升,固態鋰電池被視為是最可能達到高能量密度、高功率以及高安全性儲能目標之下世代儲能裝置。固態鋰電池之關鍵組件即為固態電解質材料,近年來各界投入相當龐大之研發能量開發無機固態電解質。然而,不論硫化物或是氧化物固態電解質材料本身缺陷或是加工應用於電池之相關技術,仍有許多瓶頸需要突破,例如:硫化物固態電解質之電化學穩定性較差、固態電解質與正負極材料之界面阻抗過高以及副反應問題,同時鋰枝晶問題仍無法徹底解決,而氧化物固態電解質加工成本過高等,皆是固態電池尚無法產業化之原因。「陶瓷硫化物及氧化物固態電解質之應用瓶頸及解方」將就硫化物及氧化物固態電解質之應用技術議題,整理數個文獻介紹的解決方案供讀者參考。

1990年代日本Sony商業化量產鋰二次電池,由於鋰離子電池具有高電壓、高能量密度和長循環壽命等優勢,廣泛應用在智慧行動裝置、電動運輸載具、再生能源儲能系統等領域。為了讓電子產品可整合更多應用功能,以及增加電動汽機車可行駛的里程,電池能量密度與循環壽命規格的提升成為各方追求的目標。然而,傳統電解液易洩漏、易燃燒與易高電壓氧化性質阻礙了能量密度的推升,同時伴隨電池使用安全的疑慮。「高能量/高安全固態鋰電池」一文指出,為解決上述問題,各大廠與研究單位皆積極投入固態電池的開發,透過將傳統鋰電池使用之有機電解液,更換成難燃固態電解質材料,以強化終端產品應用的安全性。文中亦重點介紹工研院材化所開發型態與特性介於膠體/固態之間的樹脂固態電解質(NAEPE),此項優異技術獲得美國2020年R&D 100 Award。

生生不息,循環永續—鋰電池的循環之道
當特斯拉的電動車頻繁地從我們身邊無聲無息閃過,讓人赫然驚覺電動車的時代已經展開!電動車解決人類對化石燃料的依賴,也連帶降低向大氣排放二氧化碳、一氧化碳等溫室氣體的總量,對地球環境帶來正面的效益。然而,電動車的動力來自電池,當電動車日益增多,電池的用量自然增長。而電池的組成主要來自地球的金屬資源,也可說是一種對地球資源的消耗;廢棄電池如未能妥善處理,對環境亦會造成污染。如何將電池資源循環式地使用,讓電池變成一種順暢輪轉流動的物質,以實現生生不息的循環經濟,讓能源/資源能夠永續,是電動車蓬勃發展的此刻,必須同步超前部署的重要課題。
    
在節能減碳趨勢下,全球對於鋰電池之需求大幅提升。台灣廠商積極布局鋰電池市場,使得台灣鋰電池產業快速崛起,預估未來五至十年起,台灣將會有大量鋰電池產品廢棄物產出。鋰電池廢棄後若未妥善處理,將造成環境污染。另外,鋰電池中含有鈷、鎳、錳、銅等有價金屬,台灣缺乏金屬礦物資源,金屬原料皆仰賴進口,廢棄鋰電池如可妥善回收處理及資源化,將有助於金屬資源供應穩定。「台灣鋰電池產業物質流布分析及管理策略」一文對台灣鋰電池產業進行物質流布分析,調查台灣鋰電池產品進出口量、製造量、銷售量、廢棄量及回收量等,繪製「2018年鋰電池產業物質流布分析圖」,並針對鋰電池產業,研提回收管理策略及改善建議,希冀能供國內相關產業及機關未來進行鋰電池回收處理及管理之參考。

全球為了減低二氧化碳排放量,透過補助政策大力推廣電動車,進而帶動鋰電池市場蓬勃發展。然而許多有價金屬如鋰、鈷取得資源有限,隨著鋰電池原材料需求大增,很快將面臨原料短缺;另一方面隨著電動車普及化,將伴隨大量廢棄動力鋰電池之處理難題。為此,全球開始提倡鋰電池封閉式循環經濟,不但減緩廢棄鋰電池對環境造成的危害,更是創造循環經濟所帶來之價值。「鋰電池循環經濟」將分兩期介紹目前國際針對鋰電池循環經濟之政策導向以及我國對於鋰電池循環經濟產業的規劃。

電動車主要以鋰電池為動力來源,因正極材料的不同,鋰電池又可區分為以磷酸鐵鋰為主的鋰鐵電池與以鎳鈷錳酸鋰為主的三元鋰電池兩大類。為了解車用鋰電池中之有價金屬之含量,以作為回收評估依據,「廢車用鋰電池之組成分析與回收」一文分析各類鋰電池中之金屬含量。研究結果精確分析廢鋰鐵電池中正負極混合內含物之鋰、鋁、鐵、銅金屬全含量,以及廢三元鋰電池中正負極混合內含物之鋰、鋁、鈷、鎳、銅、錳金屬全含量,證明車用鋰電池具有回收價值。報導也指出現行商業化之廢車用鋰電池處理方法,包括直接將廢車用鋰電池送火法冶煉廠予以回收處理,或先經穩定化、破碎、分選等步驟,再將含有價金屬之正負極內含物送往濕法冶煉或火法冶煉廠予以回收處理。

隨著全球鋰電池的供應量大幅成長,相對也將帶出大量鋰電池商機與廢棄資源,為此政府開始重視綠能/環保/循環經濟,帶動鋰電池相關產業重新布局,也開創新藍海機會。「推動鋰電池高值材料循環策略」一文報導,藉由整合電池產業之循環供應鏈體系,充分運用國內現有鋰電池回收原料,並進行有價金屬回收智能檢測技術與正極材料再生技術開發,輔以台灣優勢的鋰電池產業,建構完整的鋰電池相關產業鏈,透過工研院率先布局鋰電池循環經濟相關技術,期望帶動我國鋰電池回收業者投入研發活動,同時強化產業上下游之串聯,讓回收的資源能有另類高值化的轉換機會。

主題專欄與其他
迅速地將今日生活場景、明日發展態勢掃描一遍:從人手一支的行動裝置、大勢所趨的電動車,一直到再生能源與去碳化的人類共同目標,在這一切的背後,都需要能提供滿滿能量的電池!電池不僅驅動著今日的智慧生活場景,更是描繪明日綠色永續藍圖的要角。台灣電池產業的啟蒙甚早,但在經濟規模受限的情況下,多半轉向異地追尋產業出海口。歷經數十年的發展,今日電池市場已由原本的3C用品,擴展至動力、儲能等多元領域,共同匯聚成為一片汪洋。面對這片浩瀚,應如何找尋定位,以避開紅海紛擾、迎向藍海契機?本期人物專訪「號召電池台灣隊,進軍綠能世界盃」一文特別訪問台灣電池協會(TBA)陳勝光理事長,由資源整合平台的角度,探索國內電池產業的發展形貌。
    
複合材料專欄「全球纖維複合材料發展趨勢」一文介紹全球目前複合材料的發展動態與方向,以樹脂基纖維複材為主,對整體市場現況、熱塑複材與應用趨勢進行概述。玻纖複材以及熱固性樹脂基質之纖維強化材未來仍屬最大宗,但因應循環經濟與環境友善要求,熱塑複材的開發與應用將高速成長。目前循環回收纖維的市場份額仍微乎其微,有賴纖維複材回收技術開發與商業模式的形成來驅動。

地熱能源是一種獨特的發電資源,同時具備與風力、太陽能相同之潔淨、再生特性,且發電運轉容量因子高達75%而可視為基載電力,地熱發電因此成為台灣能源產業發展之重要考量。大屯山系屬於火成岩型地熱泉水,該地熱泉具有複合型酸性流體,可能造成設備、管路腐蝕。材料與技術專欄「現地設施腐蝕監控檢測技術」報導,技術團隊場勘評選出適當場址,再以該場域地熱湧泉水質之化學成分,經由熱力學理論計算,篩選出具有經濟競爭力之金屬結構材料,再將該測試樣品透過實驗室檢測與場域驗證,測試金屬各種腐蝕模式,並導入電化學檢測技術,驗證金屬結構場域腐蝕模式之可即時監測性,以建置適合我國地理特性之能源設施結構技術,推動國家經濟發展。

技術發表會本期介紹「台灣化粧品原料開發技術與產品推廣」。台灣的化粧品原料多仰賴國外進口,且天然來源的化粧品日益受到消費者的重視與青睞。為了強化國內化粧保養品產業具有國際競爭力,工研院生醫所致力開發天然物原料,使用低溫萃取及發酵等技術,保留植物珍貴的有效成分,經過科學化驗證天然活性原料的功效與安全性。提高化粧品產品品質,有助於產業的提升、掌握產品關鍵原料,使化粧品品牌更具國際競爭力。

全球最具指標性的「電子封裝與製造」綜合大展—NEPCON JAPAN 2021,於1月20~22日如期於線上/實體(東京國際展覽中心)開展。雖在COVID-19疫情肆虐、邊境封鎖的嚴峻挑戰下,這場具有35年悠久歷史的國際重要展會,依然吸引如村田製作所、東京應化工業、NTT DOCOMO等超過千家的國際重量級廠商參展。材料補給站「NEPCON JAPAN 2021疫情中如期登場  聚焦最新車電、5G、電子封裝/半導體前端技術」一文,為讀者整理相關展場與研討會重點巡禮。今年的展會主題掌握產業趨勢脈動,重點秀出5G相關材料與元件、AI技術、汽車自動駕駛與ADAS、MaaS移動服務、FCV燃料電池車技術等,內容豐富而精采。展品以電子產品及半導體研發/封裝技術為中心,包含元件及材料、SMT表面封裝、檢測、精密加工及模具等類別,完整串聯起電子產品製造產業鏈。
    
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