呂學隆 / 工研院產科國際所
回顧2021年的全球鋰離子電池產業與技術變化，除了因歐洲與中國大陸電動車快速成長，帶動電池需求急增下的供需失衡問題影響整年度的產業鏈結外，在技術開發變化上，最吸引各界關注的即為固態電池各項新技術的動向與結合車用電池的量產化進展。衍生出的固態電解質發展方向，除了原有的提高離子導電度與空氣穩定性、降低阻抗等需求外，也擴大朝向更具實用性的特性，例如可型塑性、量產製造能力與成本降低設計等。影響了固態電解質材料製程與降低界面阻抗等材料技術發展方向，如電極與電解質界面的建構、降低正極與電解質界面阻抗、降低空隙、簡化加壓過程等。而在樣品逐漸出現與持續維持開發進度下，電動車各項應用導入固態電池的長期技術走向也逐步明確。
一、國際上對固態電池在電動車/鋰離子電池市場滲透率預測
綜整各界對於固態電池導入商品化量產時間預期時可發現，多朝向自2025年後量產，但仍需逐步由半固態、類固態電池開始，長期方向以全固態電池投入。如BNEF認爲除車廠導入意願與時間外，需考量與現有電池成本比較，認為固態電池正式進入電動車應用將在2028年，大量導入時間則需觀察固態電池模組成本與鋰電池成本相近時(BNEF預測為2033年)。另一家國際市調公司IHS Markit則定義包括半固態電池(液體<10%)、準固態電池(液體<1%)與全固態電池，以終端應用品牌廠技術藍圖規劃爲基礎進行預測，預計固態電池將於2023年開始先行於小型裝置搭載；2025年量產後於電動車中搭載，因其定義上包括半固態電池(液體<10%)、準固態電池(液體<1%)與全固態電池，且不一定使用高能量正極/鋰金屬負極。有關於半固態電池、類固態電池的定義來自於美國USDOE ARPA-E影響，認為從半固態電池(液體<10%)時就可較現有鋰離子電池技術大幅提升安全性，搭配鋰合金/鋰金屬負極技術可將能量密度提升至350~400 Wh/kg，衍生準固態電池(液體<1%)與全固態電池等各項定義。
二、國際電動車品牌廠投入固態電池進展
以可取得之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。
圖一、VW MEB電動車平台電池技術藍圖規劃
在特殊車用區隔如電動巴士等領域，已有電動巴士採用固態電池產品問世。如Mercedes-Benz eCitaro。Citaro為全球最暢銷巴士系列産品，已售出累積超過 5 萬輛，其中雙截版可載運 146 名乘客，單截版本為88 名。eCitaro電氣化版本於2015年上市，利用2 組分別設置於巴士車頂與底盤的模組化鋰電池，總容量 243 kWh，最高可達441 kWh，2018年時新版本將電池模組進行熱管理精進，並將空調系統進行大幅優化，使能源消耗較燃油版本降低約 40%，具備夏季 150 公里基本最大續航力(冬季於德國約達170 KM)，理想狀況可達到 250 公里，且同時推出固態電池版本供客戶選擇，固態電池版本使用Blue Solution生產之第三代LMP 63 Pack，電容量達63 KWh (2022年初第四代將達70 KWh，電池保證在-30 C至65 C的工作溫度範圍。
圖二、、Blue Solution生產之第三代LMP 63 Pack
另一聚焦固態電池技術的電動車大廠為豐田汽車，為固態電池技術發展上重要的領導廠商。該公司2017年即提出目標，第一代全固態電池在2022年前量產化；2020年其動力總成執行副總裁兼電池業務總經理Keiji Kaita表示：有望在2025年前全固態電池量產化；2021年也在東奧舉辦後對外公開全固態電池安裝的概念樣品車已經在東京申請掛牌上路，並已參與---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。