徐俊傑、蔡瑋哲 / 工研院材化所
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。本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，我們將與讀者分享工研院材化所在車用動力軟包VDA 355電池的研究成果。
【內文精選】
電動車用動力電池技術分析
1. 動力電池的材料
(1) 正極材料
目前市面上使用的兩種主流動力電池正極材料種類分別是：①過渡金屬氧化物，其中以鎳鈷錳酸鋰(LiNixCoyMn1-x-yO2；以下稱三元鋰)為代表；②聚陰離子鹽類，其中以磷酸鋰鐵(LiFePO4; LFP)最被廣為使用。2021年三元鋰在全球電動車的市占率仍居於首位，有超過60%的市占率，LFP則為32~36%的市占率。但最近幾年LFP在新車的裝機量逐漸有超越三元鋰的趨勢。以中國為例，2021年LFP的裝機量已達到52%，2022年第二季該地的LFP裝機量甚至上升至58%。市場調研機構TrendForce預估，LFP電池與三元鋰電池全球裝機量比例也將於2024年由3比7轉變為6比4。
(2) 負極材料
相對於正極材料兩強爭霸的局面，目前在電動車市場，乃至於整個鋰離子電池市場當中，仍是以石墨作為主體的負極為唯一選擇。目前商用化的負極相關材料只有石墨、矽添加物，剩餘的不論是矽負極、鋰金屬負極與鈦酸鋰都還在開發或是早期商業化的階段。
2. 電池芯(Cell)封裝
應用於電動車的電池主要使用三種結構形式，分別為圓柱電池、方罐電池、軟包電池。除了外形結構的差異(圖八)，其結構設計所帶來的機械強度與電性也有所不同。
圖八、目前市場上主流鋰離子動力電池封裝路線
(1) 圓柱電池(Cylindrical Cell)
圓柱電池由金屬製的圓柱外殼所包覆，這使其擁有良好的機械性質，可以有效控制住電極充放電過程中所產生的電極體積膨脹與氣體產生。此外，圓柱電池較為纖細的形狀，讓它得以有效地利用車體可用的空間進行安裝。圓柱電池製程成熟，產品一致性高。但也正因為圓柱電池的金屬外殼，使其面臨較低能量密度的缺點；此外，圓柱電池在組成模組與電池包時，電池芯之間的接線(Wiring)往往較其他種類電池複雜。
(2) 方罐電池(Prismatic Cell)
方罐電池的主要結構是以鋁材質作為硬式外殼，其尺寸規格種類有非常多種。方罐電池在組成電池包時，往往可以較為緻密地堆疊，這使方罐電池能獲得較其他種類電池更高的能量密度；以方罐電池電池包為平台的電池管理系統(Battery Management System; BMS)設計也較不複雜。然而，其缺點是在電池製造上的成本較高且電池的品質管控也需要更加注意。方罐電池的負極與鋁殼體之間有0.6~0.7 V的電壓，其殼體帶電是為防止腐蝕反應的產生。特別適用於大型的電動載具，例如卡車、公車與船隻。
工研院材化所電動車用電池開發技術現況
工研院材化所因應綠能產業的發展趨勢，在經濟部科技專案經費的支持下，建置完整的電池生產前/中/後段製程之原型電池驗證線設備，可生產少量多樣化不同尺寸規格的電池，提供各種電動載具(電動機車、電動汽車、儲能電池)終端應用廠商的批次電池送樣驗證。
研發成果現況方面，目前以市場主流應用規格統稱的軟包VDA 355 Pouch Cell為主，當然亦包含各式樣終端應用平台尺寸的電池。可批次送樣提供終端應用客戶驗證的電池尺寸如表四。
表四、工研院各式樣不同平台終端應用電池規格與樣式
藉由電池原型驗證線的建置，提供了工研院材化所電池開發過程不同材料平台的調適驗證、實驗室開發數據放大驗證、合作客戶電池放量打樣的試驗場域。目前驗證線已開發出NMC三元系、LFP磷酸鋰鐵等兩種不同材料系統以及電池容量介於20~60 Ah的不同驗證載具電池平台，完成一系列電池電性及安全測試，其中安全性能方面亦須通過嚴苛的針刺測試及過充電測試等相關安全測試項目---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》435期，更多資料請見下方附檔。