全球先進國家對零炭排車的追逐日趨火熱, 新能源車規格的需求已日漸明朗, 但現今鋰電池技術發展遲滯對續航裡程及安全性的鉗制使得新能源車的升級緩步不前, 眼見國標 (比能量300Wh/kg@2020) 大限將至, 液態鋰電比能量受限於先天安全性問題(260Wh/kg已證實無法控制安全性)而無力再攀升, 更別提2025年的350Wh/kg. 長遠目標眼見難成, 近期又一次次發生新能源車觸目驚心的電池起火意外, 逼得寶馬, 豐田等國際車廠各個猛虎出閘, 不論投資, 合資或共同開發, 只為搶先一步與電池技術的下一塊樂土 '固態電池' 進行戰略上的捆綁.
然而, 各業界翹楚在固態電池的投入已有約20年歷史, 卻依舊處於混沌未明的狀態, 電池廠各踞山頭信仰不同的電解質體系, 未出現技術流動或融合的態勢, 其中有的成功量產, 有的不斷推遲研發路譜, 豪擲了億萬美元後黯然離場的更是時有所聞, 天堂地獄般的落差導因於各電解質體系間本質路線的差異, 在穩定性, 電性表現與量產上有著以現代科技水平不可逆的先天性優缺點, 我們依製程及化學系統將電解質分為六大類: 氧化物, 硫化物, 氰化物, 鹵化物, 薄膜, 聚合物, 列舉四大技術路線說明其發展現況:
固態聚合物
拜液態聚合物發展已成熟之賜, 固態聚合物電池的量產能力已與液態聚合物相去不遠, 但存在著穩定性不佳導致電性可靠度差, 再加上常溫狀態下離子導電性不佳, 電池性能因此大打折扣, 甚至產生低於10-4S/cm難以運作的狀況.
早先法國Bolloré集團採用BatScap電池投放於城市網約車,卻必須持續性將電動車電池加熱至60°C以上來維持電池內部的導電能力. 德國零組件巨頭Bosch博世集團於2018年初也不得不宣告放棄對Seeo的投入; 近期最受矚目的便屬固態聚合物電解質製造商IonicMaterials, 已獲得三星SDI, Dyson, 萬向等集團的投資, 或許近年能有樣品問世.
氧化物薄膜
薄膜電池厚度可達微米等級, 曾被視為醫療及穿戴市場的最佳解決方案, 但其類似半導體濺鍍式生產工藝, 設備費用不貲, 對環境要求極高, 良率低, 因此量產不易且成本十分高昂.
美國IPS於2008年即做出全固態薄膜電池, 2014年被Apple收購, 至今卻未有任何產品發表; 另外Dyson戴森集團投入Sakti3則是2015年固態電池市場最紅火的消息, 卻於2017年宣告放棄Sakti3的所有專利, 轉向投資固態聚合物廠尋求快速切入市場. 以此看來, 薄膜電池的量產商用化路程尚待觀察.
硫化物
導電能力雖佳, 穩定性不佳卻是最大的短板, 連帶影響氧化及還原之穩定性也偏低, 製程工藝複雜, 更與鋰電池製程相去甚遠, 故硫化物體系投放資源極高.
Toyota, SamsungSDI及CATL紛紛投入此體系之開發, Toyota預計其研發的硫化物固態電池2022年可投入商用; 韓國電池大廠SDI在硫化物技術路線上虛耗十幾年研究後, 於今年初轉向固態聚合物路線, 硫化物之路究竟通不通, 只能以時間來證明.
氧化物
氧化物的穩定性最高, 可在一般大氣環境下以相對低廉的工藝設備及廠務設施生產.
Sony,Ohara與輝能科技作為此技術路線之代表, 其中又以輝能科技十年磨一劍的功力,率先克服氧化物其導電性較差, 生產時氧化金屬堆棧後易脆, 彎曲會破裂等問題, 成功達到『12分鐘快充』與『可動態彎曲』的固態電池商業化, 並應用於HTC, SoftBank等品牌產品中, 目前已與中國, 歐洲, 日本之數家車廠共同布局固態動力電池市場.
結論
目前各單位對固態電池的掌握度還不高, 願意分享的更少, 因此電池廠對技術路線的選擇就像是一場無法回頭的探險, 每條路上各有不同的障礙待克服, 出發前只知道理論上的優缺點, 但一路披荊斬棘後見到的會是死路, 活路還是更顛簸的漫漫長路卻無人能知. 我們只能從業界動向來推測, 目前步調最快的屬氧化物體系, 其次為固態聚合物, 近年內應能有成果問世; 硫化物與薄膜電池在商用化之路是否可行, 至少還需觀察5年, 而氧化物體系現已有輝能正式進入商業化量產.
