改搭耐高温/固态电解质　锂电池突破可挠式设计难关

    可挠式锂电池技术进展迈大步。锂电池改搭固态电解质，不仅能改善传统液态/胶态电解液容易外溢与高温易燃的问题，亦可达成高挠曲度设计目标，迎合穿戴式电子产品对薄形、可挠及高安全性的需求，可望开启新的应用商机。

锂电池技术已发展20多年，但至今仍存在一个且唯一的问题是：有没有更好的电池呢？随着物联网、穿戴式电子应用市场兴起，锂电池更面临新的技术门槛--微小化，此一需求让“可弯曲”锂电池继弯曲萤幕和弯曲面板之后，成为穿戴式或各类软性电子装置成功的最后关键拼图。
与此同时，由特斯拉(Tesla)带动成长的电动车(EV)热潮，正面对频繁的爆炸意外事故，导致锂电池供应商须克服另一个无法回避的难题：锂电池安全性。至于已成日常生活必需品的IT产业智慧型手机也在功能不断增加整合下，突显使用续航电力不够、使用不便利的问题，这些新的发展需求皆刺激锂电池技术革新。 

满足安全/可挠式设计固态锂电池应运而生 

因应上述设计挑战，锂电池厂商已提出固态锂电池解决方案，可达成更轻薄、安全、潜在能量密度更高，且可以弯曲贴附在人体或各种曲面机构的特性，成为IT、穿戴电子制造商和车厂关注的目标。  

固态锂电池是指采用固态材料制作而成的技术，与现有技术最大的差异，在于将液态/胶态高分子电解液，改为固态电解质(图1)。目前市面上众人皆知的锂电池，因为采用液态/胶态高分子电解液，所以容易燃烧、漏液、高温时会溶解、低温时会盐携出，但固态电解质耐高温、不可燃的特性，使其热稳定性高，不会有起火、爆炸或过热等安全性问题，当然也没有漏液的可能性，电池正负极亦不溶解或盐携出，具有极高度的安全性。  


图1　锂电池液态/固态电解质比较　图片来源：辉能科技
新型固态锂电池正负极化学材料部分，则可与现有锂电池技术共用，甚至因为改用固态电解质，而能实现一般锂电池所无法使用的材料设计，如碳化矽(SiC)薄膜，或锂金属(Lithium-Metal)负极，具有可提升电池性能的优势。更重要的是，由于采用薄膜(Thin Film)或厚膜(Thick Film)的关系，使得固态锂电池也具有高度的挠曲能力，可以反覆自由弯曲(图2、3)，成为穿戴式电子成功的最后一哩。  


图2　全固体薄膜锂电池构造概念图　图片来源：辉能科技

图3　固态锂电池可具有优异的弯曲能力，适用于穿戴装置及软性电子。　图片来源：辉能科技
在制程部分，固态锂电池亦有别于一般液态/胶态锂电池的卷绕或堆叠制程，可采全平面印刷、涂布、沉积、或半导体溅镀式生产方式；相较于卷绕制程所需耗费的大量人力，固态锂电池人力成本相对低。  

契合穿戴装置/电动车固态锂电池壮大声势 

显而易见，固态锂电池“更薄”、“可弯曲”、“更安全”、“使用寿命更长”、“设计弹性更大”的诸多优势，在IT及穿戴式电子设计上极具价值。相较于现有锂电池最低只能做到约2毫米(mm)厚度，固态锂电池可发挥其超薄(<1mm)及可弯曲的优势，使电子装置厚度薄型化、外观可挠曲化，设计上不再受制于传统锂电池机构和厚度的限制，让设计师/工程师设计上更弹性、自由。  

此外，固态锂电池极度安全，不起火不爆炸，安全性大幅超越现有锂电池技术，使用者再也不用担心身上的电子装置会漏出黏液到手上，或口袋里的智慧手机会突然自燃。再者，材料作用时因离子本身不移动的关系，不可逆反应大幅减少，电池寿命更具提升的潜力。  

在动力应用价值上，固态锂电池主要贡献则在于安全性的提升。例如特斯拉2013年发生的三起火烧车事故，以及比亚迪电动计程车2012年起火事件，最后烧成骨架，同时酿成三人当场死亡的案例，至今仍记忆犹新；为因应电动车的安全性议题，国际厂商相继跨越中下游，直接投入上游零组件的固态电池研发行列，通用汽车(GM)和丰田(Toyota)等主要的汽车制造商，皆已认定固态锂电池是未来电动车的关键零组件。  
固态锂电池转向非薄膜材料发展 
固态锂电池发展之初大多为薄膜电池，2010-2011年全球产量约一百五十万颗电池芯左右，以IPS(Infinite Power Solutions)这家厂商的市占率最高，约达到60%以上，标准品单电芯的电容量为0.7-1毫安时(mAh)。同一时期，韩系厂商GS Nano Tech也积极研发固态薄膜电池，并已于2010年导入产能达70万颗电池芯的量产线，主要供应军用的安全卡片。  

矢野经济研究院推估，2011年间，上述两间厂商合计的市占率高达80%，但2012-2013年薄膜电池市场需求趋缓，GS Nano Tech的母公司GS Caltex见收益困难，遂解散GS Nano Tech；而IPS也难逃大环境的改变，于2014年出售公司。至此，固态薄膜电池逐渐淡出市场，探究衰退原因主要系成本太高、充放电问题，以及电池芯容量太低。  

近期崛起的固态锂电池制造业者，大都采用非薄膜材料，并致力于电容量之提升。部分厂商也已成功量产，并导入3C配件、智慧显示卡(Smart Display Card)、或无线射频辨识(RFID)的相关应用，前景看好。  

各国竞逐固态锂电池　台厂技术研究成果亮眼 

固态电池的超薄、可挠曲、超安全及高度热稳定特性，逐渐在市场上崭露头角，并获得国际大厂的肯定与青睐，朝取代现有锂电池技术的方向快速发展。  

不过，由于固态电池存在着一个先天上锂离子导电度较低的障碍，也就是固态电解质不能够像液体电解液一般那样快速地传导锂离子，内阻值较液态电池高，而导致固态锂电池的充放电能力不如液态电解液的锂电池。因此，固态锂电池接下来发展的主要任务，将聚焦几个层面，包括降低介面阻抗值，以及因应商品化的低成本大量生产技术。  

目前投入固态锂电池开发的国家当中，日本具备完整且数量较多的产学研开发体系，韩国有Samsung SDI等大集团与大学院校的参与，美国则较集中于极板结构设计与制程方面。至于台湾是法人、大学院校与厂商均有投入，尽管投入的数量较其他国家少，但研发成果却遥遥领先国际，不论是在产品规格电性上，或是在商业化程度上，都成为国际众多竞争对手和潜在竞争对手的标竿(表1)。  

其中，辉能科技已于2014年底成功将其固态锂电池产品的介面阻抗降低一半以上，使其充放电能力近乎一般的液态/胶态锂电池，并同步开始着手进行全线制程卷对卷生产的制造技术，准备迈向大量商品化，以提高在固态锂电池市场的占有率。  

在未来策略上，全球固态锂电池技术有机会在轻薄化设计、大容量与单电芯应用、可挠式及超高能量密度电源设计等方面大展拳脚，并广泛应用于3C产品、穿戴式电子、软性电子、物联网、电动车、工业应用、智慧医疗、特殊安全性需求等产业，进而取代现有一般锂电池技术，成为次世代电池。