突破鋰電池安全/里程/成本極限　次世代電池照亮電動車未來

2015年聯合國簽署巴黎氣候協議，各國矢言透過限制溫室氣體排放，將全球升溫幅度控制於2℃以內，以遏止全球暖化帶來的毀面性災難，強化了全球對於綠色交通轉型的共識。從歐洲開始，挪威、荷蘭將在2025年禁售燃油車，而印度、德國也將在2030年跟上腳步，我國行政院長賴清德亦於2017年底為市場投下一枚震撼彈，宣布台灣2030年公務車全面電動化、2040年汽車全面電動化等目標。

鋰電池使電動車銷量陷泥淖

雖然車輛電動化勢在必行，但電動車銷量卻陷泥淖，主因電動車的心臟──電池所帶來的安全性疑慮、里程焦慮以及昂貴的售價，降低消費者的購買意願，導致電動車的年交付量僅占整體車市的2%。若無政府以補助或限售燃油車等手段介入，電動車將難與燃油車競爭。為此，電池廠、車廠甚至汽車零件廠紛紛投身尋找次世代電源方案，以期在電動車市場爆發期來臨前端出能真正滿足大眾期望的車款，而電池的優劣將於三個關鍵的面向影響電動車使用者體驗：安全性、能量密度及成本。

安全性疑慮

鋰離子電池的不穩定性將帶給駕駛生命威脅，僅2018上半年特斯拉便發生了三起致死的火燒車事故，撞擊造成鋰電池結構毀損，導致電池內部以每秒數百度的幅度迅速累積熱能，點燃液態聚合物電解液(Polymer Electrolyte)後，於數千顆電池芯間引發連鎖反應，終致電池組全面起火爆炸，釋放巨大能量。然而，由於鋰離子電池必須透過聚合物電解液來進行離子的傳導，這樣內含易燃液體的儲能系統已被證實無法達到本質上的安全性，一旦發生物理或電性的破壞，便有一定的機率造成熱失控的發生。

能量密度的天花板

在有限的空間內，電池的能量密度決定了電動車的行駛距離，目前電動車用的鋰電池能量密度約落在120~150Wh/kg，而中國國標要求車廠在2020年前採用能量密度達300Wh/kg的鋰電池，美國則期望廠商至少達到220Wh/kg。如此數倍的能量密度躍進對使用者來說是非常危險的賭注，因為能量密度提升意味著採用更高活性的正負極材料，或減少隔離膜的厚度，兩項做法都將大幅增加電池的危險性。而業界共識，經過數十年的研發，鋰電池的能量密度與安全性已達到了危險的平衡，若鋰電池要達到300Wh/kg，勢必得採用固態電解質，於安全穩定的架構上持續提升能量密度。

成本走勢難料

一台電動車中，電池成本即占了總成本約40%，因此電池成本對整車售價影響重大，彭博新能源財經(BNEF)於2018年度報告中指出，國際電動車廠採用的動力電池價格於2010年約為每度電1,000美元，而2017年的價格降至每度電209美元，在七年間降低了79%，並樂觀預測鋰電池價格將於2040年來到每度電70美元(以Pack電池系統而言)。對此，工研院IEK產業情報網則抱持不同看法，其認為，從材料價格來看，正極、負極及隔離膜材料有近70%來自中國，經過多年的削價競爭，目前降價幅度已趨平緩，甚至有回彈的可能。此外，正極材料─鈷的價格更是於五年內暴漲了三倍(圖1)，可能帶動鋰電池價格上漲。從原料成本面觀察，不論生產規模如何擴張，若無突破性技術的出現，鋰電池於Pack階段成本要達到每度電70美元的機會渺茫。

次世代電池將扭轉局面

為解決上述安全性和能量密度問題，近年內次世代電池一直是電動車市場的目光焦點，再加上電池成本是整車材料成本(BOM Cost)的最大宗，為掌控關鍵零組件利潤，國際車廠如BMW、Hyundai、Toyota等紛紛以投資或自主研發的形式投入次世代電池的研發，爭相透過開發全新的電源方案來成就更高效的綠能車輛，儼然成為一場電池軍備競賽。其中，業界研發路線又可分為二大方向：燃料電池與固態鋰電池。

氫燃料電池發展需政府支持

若不考慮產氫過程的排放，燃料電池電動車僅會排放H2O而被譽為最環保的交通能源，且相較於傳統鋰電池，燃料電池可說是更安全易管控的儲能系統，部分儲氫瓶採用防彈級碳纖維材料，即便高速撞擊亦不會受損；即使外洩，氫氣的高擴散速度造成其密度及爆炸能量低，若儲氫罐搭載於車頂，外泄的氫氣將向上逸散並燃燒，不易傷及乘客，能提供較高的安全保障。另外，燃料電池能於數分鐘內完成加氣，吸引豐田(Toyota)、現代汽車(Hyundai)等廠商投入，並獲得日本、部分北歐國家與中國的支持。

不過，成本卻是氫經濟發展的硬傷，從材料層面來看，目前美國杜邦全氟磺酸結搆質子交換膜約每平方公尺400美元，平均每輛車約需20平方公尺，整車光質子交換膜成本就已高達8千美元，按此推算，Toyota Mirai車款在美國售價約5.7萬美元，光質子交換膜成本就占整車售價的14%以上，導致燃料電池車售價高昂。

另外，氫燃料電池的發展玆事體大，從核心材料、輔助系統到產氫、運送、儲存、加氫等環節牽一髮動全身(圖2)。而運輸儲存及加氫站的基礎建設成本昂貴導致普及不易，目前在中國一座日加氫量500Kg加氫站的建置成本約1,200~1,500萬元人民幣，1公里的氫燃料運輸管道據相關統計數據約須花費1億元人民幣，如此高昂的建置成本成為全面商業化的瓶頸。因此，氫經濟需要政府的支持，才有機會全面普及。

固態電池成關鍵技術

固態電池的核心價值在於本質上的安全性，以固態的電解質取代傳統易燃易爆的聚合物液態電解液，即便受到穿刺或撞擊，也不致發生熱失控，除了減少起火事故對駕駛的生命威脅，基於固態電池的穩定性，不論是化學配方設計或機構面的設計都能獲得更大的自由度，提供了降低成本及提升能量密度等衍生的價值。

・聚合物電解質

固體電解質可細分為有機及無機兩大類(表1)，有機固態聚合物電解質在常溫及物理衝擊下的安全性相比傳統液態鋰離子電池有較大提升，但280℃以上高溫時仍有崩解燃燒的可能，且聚合物電解質在室溫下電導性不佳。

早先法國Bolloré集團採用BatScap電池投放於城市共享車，卻因為必須持續性將電動車電池加熱至60℃以上電池才能運作，而無法打開市場和銷售；德國工業巨頭Bosch曾在2015年買下聚合物固態電池廠Seeo，並宣告2020年將生產300Wh/kg的固態電池，卻在短短的18個月後，出售Seeo以及電池部門，黯然離場。

・硫化物電解質

無機物固體電解質材料則完全不可燃，遇高溫或短路也不會熱失控，其中，又可再細分為硫化物(Sulfide)及氧化物(Oxide)兩大系統電解質。硫化物電解質的導電能力佳，受到三星SDI、Toyota、BMW等大廠青睞，不過硫化物一旦接觸到濕氣便會釋放具毒性的硫化氫(H2S)氣體，製造環境必須保持全程乾燥，與鋰電池製程相去甚遠，故硫化物體系投放資源極高，其中最知名、開發歷史最悠久的非Toyota莫屬，預計最快2020年將固態電池技術商業化，但考量產線建置的難度，Toyota內部高層研發主管認為應2030年才能實現大規模量產；BMW投資的新秀Solid Power則是預計在2026年能進行商業化。

・氧化物電解質

無機物中的氧化物電解質體系則具備了穩定性高、可在一般大氣環境下生產、生產資本支出也較低的優點，不過氧化物導電性較差且脆性高，彎曲時容易斷裂，目前僅日本Murata/SONY和台灣輝能採用氧化物系統。其中，輝能透過Ceramion技術、Microcell技術及Logithium技術，克服導電性低、氧化物易脆的問題，使氧化物固態電池達到快充以及可動態彎曲的條件，並進一步將產線達到全線捲對捲製程(Roll-to-roll)生產與商業化，應用於HTC、軟銀(SoftBank)等品牌產品中。目前已與中國、歐洲、日本等數家車廠共同布局固態動力電池市場，預計2019年能見到固態鋰陶瓷電池電動車的首台樣車。

輝能科技總經理楊思枏表示，由於現行的輝能鋰陶瓷電池即可滿足車廠對電池芯能量密度的需求，安全性也達到歐盟電動車安規EUCAR Level 2~3，可減少電池系統中保護機構及冷熱管理系統的需求，故採用固態鋰陶瓷電池的Pack能量密度最高能夠達到特斯拉的2.5~3倍，是各大車廠對固態鋰陶瓷電池趨之若鶩的主因。

這幾年企業對創新電池芯廠一擲千金的新聞不時出現，近來還有Volkswagen對矽谷電池新創Quantumscape投資了一億美元的消息，更有萬象A123左手投資固態聚合物路線的Ionic Material，右手押寶硫化物新秀Solid Power，車廠、電池廠對次世代電池技術的狂熱追求在在顯示了電池芯在電動車市場的戰略價值，只要掌控了真正能商業化的次世代電池，便是掌握了次世代電動車市場。

(本文作者任職於輝能科技)