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辉能科技突破固态电池技术瓶颈
 

【作者: 葉奕緯】2018年05月31日 星期四

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近年的电动汽/机车市场逐渐火热,不论是美国的特斯拉(Tesla)电动汽车,或是欧洲车厂联合推出的IONITY,甚至是近年在台湾的GOGORO与光阳之间的电动机车竞赛,都确实让电动车进入民众所关心的范畴事务中。而其中的核心竞争力,即是电池芯。


除了电动车之外,几??所有市售的三C产品,采用的都是锂电池技术,也就是一般的液态电池,然而自从NOTE 7手机发生爆炸事故後,社会才意识到,原来手机中的电池并不安全。


2018年,在美国也发生过一起电动车追撞而引发爆炸的事件,相较於燃油车,电动车虽然发生火灾的机率低於燃油车,但由电池内部引起的火灾却更难被扑灭。这都造成电动车厂人心惶惶,因为光是一台特斯拉Model 3车款,里头至少拥有七千颗锂电池,以六颗锂电池等於一颗手榴弹的威力来比喻,开一台Model 3等於随身携带一千多颗手榴弹在路上跑,这就导致车厂不得不慢下来,细细检视其能源管理以及安全性上的问题。


因此国外车厂与各大电池厂积极合作,想找出取代液态锂电池的方法。事实上,业界对於固态电解质的研究已有20年以上历史,但对於如何克服除去电解液後锂离子的传导问题,迟迟无法解决,直至近年来才出现不少解决方案。


如法国Bollore集团透过将电动车电池加热至摄氏60度以上,来维持固态电池内的导电能力,并於英国少量投放城市租赁车。


而台湾辉能科技(Prologium)则透过电池芯内部独家导通技术Ceramion来降低内阻,其於2017年发表的内阻值已低於目前市场主流的18650锂离子电池,并且可以实现快速充放电功能,导电性在现今固态电池的电性水准已足以取代液态锂电池,更有液态电池所不具备的安全性。


软板与堆叠技术的结合

辉能科技於十二年起家,创办人杨思?曾在研究锂离子聚合物电池以及软性印刷电路板(Flexible Print Circuit;FPC)的公司任职,在决定创业题目时,杨思?心想,何不将聚合物与软板两项技术作结合呢?於是他花费两年时间待在实验室中,研发出超薄软板锂陶瓷电池(FPC Lithiun-Ceramic Battry, FLCB )。



图1 : 结合软板技术能让FLCB弯曲,解决易脆问题。(摄影/叶奕纬)
图1 : 结合软板技术能让FLCB弯曲,解决易脆问题。(摄影/叶奕纬)

FLCB是全球首个采用软板为电池基材及封装材料的电池,以全印刷、涂布的方式,制作出像软性电路板一样薄、一样可以弯曲的电池,完全颠覆了传统锂电池在外观及制程上的限制。因此,FLCB的外观如同纸一样轻薄、可挠曲,还可以客制化多组负极端点,或延伸出软板、软排线连接到电路板,取代一般的电线或连接器。


在电池化学系统的部分,FLCB采用的是锂陶瓷(Lithium-Ceramic)的类固态电解质(Solid-like lectrolyte),克服了传统电池可能漏液的风险,不仅电性与一般锂电池类似之外,FLCB在本质上更安全。即使经死折、撞击、穿刺、撕裂、或火烧 (700-1300 。C)高温的破坏,也不会起火或爆炸,堪称是全世界最安全的锂电池。


虽然解决的制程上的问题,但在电池特性上,仍然无法比拟一般的液态锂电池,然而在2017年,辉能科技再次进行了突破,解决内阻值的问题,让电池芯的能量密度获得大幅提升。


固态与液态之优劣

一般来说,液态与固态电池都有先天上的缺点,例如液态电池的能量密度(Wh/L)的表现上,是完胜固态电池的,因为液态比起固态来说,电传导的能力表现相当好,然而也会有安全性上的问题,只要电池芯内部遭受强烈撞击、穿刺或高低温冲击,都有可能导致爆炸。


因此,即使液态电池在能量密度上,可以有很好的表现,然而却不能超过某一定值(如700Wh/L),否则将会发生危险。一般的3C用品如智慧型手机,能量密度可能不需要太高,最多在快速充/放电时有需求而已,但若是使用於电动车上,尤其在爬坡时,就需要高能量密度支撑。


图2 : EV-Module S使用推叠技术,能极大化电池的空间利用。(摄影/叶奕纬)
图2 : EV-Module S使用推叠技术,能极大化电池的空间利用。(摄影/叶奕纬)

以电动车厂的考量来看,固态电池能够降低能源安全管理以及冷却系统的需求,以特斯拉Model 3来说,其相关管理系统占了70%的空间,但若使用安全的固态电池,就有可能降低至50%左右。因此车厂多将希??放在固态电池特性的突破上。辉能科技便是在此特性上作出突破。


电解液特性比较

既然固态电池这麽好,为什麽到现在才有成品出现?最大的问题在於技术、成本以及制程上有待突破。


2018年中国科学院物理研究所李泓博士在动力电池评测研讨会中,详细说明了六种固态电解质的优缺点比较,并为固态电池区分了十项需考虑的特性:包括还原、氧化、化学、高温稳定性,另外还有结构应力、制造成本、电芯整合度、离子与电子导电率、离子迁移数。


而固态电池的电解液,目前有六种可行材料,包括氧化物、??化物、卤化物、硫化物、固体聚合物以及薄膜,每种材料都有各自的特性。


例如以固体聚合物的特性来说,它的四大稳定性皆差,因此当遇到高温或是高酸硷时,会影响电池芯的安全问题,国际车厂BOSCH曾大量投资於专研固体聚合物的电池公司Seeo,但因为未见成效,因此宣布放弃投资,转而将研究重心放在氢燃料电池。


薄膜式的固态电池,则在结构应力、制造成本、电芯整合度上的表示较差,因为薄膜式需要半导体溅镀式生产,生产成本相当昂贵,且良率最低,Dyson曾投资Sakit3电池公司专注研究薄膜式技术,最後也因技术上的困难而放弃。


而??化物和卤化物目前没有人员深入探讨,硫化物则有以三星及松下为主的韩、日系厂商正值研发阶段,预计需要五年的时间才有实质结果;目前唯有台湾辉能科技在氧化物的研究上,不仅在制程上做出突破,它在电池特性也有全新的发展。


电性问题获得解决

固态电池不仅难以量产,在生产技术上与一般液态电池也完全不同,不论是生产工艺制程、或是生产线的周遭环境都需要大量的资本投入和严格叁数控制。辉能科技在研究初期,面对的氧化物特性问题,并不比其他电解液来的少。


虽然氧化物拥有最隹的稳定性,可以保证电池芯的安全性高,并且可以在一般大气下生产,无需特别控制水气或空气,但是它的导电性只有0.2-0.6ms/cm,并且以氧化物所组成的极层易脆,只要稍微弯曲就会破裂。


辉能科技透过结合软板,作为电池基材的固态电池FLCB,先行解决了易脆的问题,除了可弯曲外,还可以进行R2R卷式生产。另外在2017年,辉能科技也克服了因高介面阻抗而无法高速传导的问题,使得导电性提升至1.9-2.4ms/cm。



图3 : 透过软板能让固态电池嵌入手机背盖,作为无线充电之用。(摄影/叶奕纬)
图3 : 透过软板能让固态电池嵌入手机背盖,作为无线充电之用。(摄影/叶奕纬)

辉能科技公司发言人许容祯说:「具体的实行方法涉及到专利,但可以透露的是,电解质等材料虽然是研发的重点,但在制程上也必须随之更动,而非照搬液态电池的制程,否则还是会有误差产生。」


应用领域增广

导电性的问题克服以後,固态电池能够供应的能量密度也随之增大,因此在智慧型手机等3C产品上,已经足以支援快速充放电,而在电动车方面,则能在爬坡方面给予足够的动力,也因为固态电池相对安全,没有爆炸的疑虑,所以在能源控管、系统冷却上,可以减少设备的装置。


不仅如此,辉能科技的固态电池也突破许多传统限制,让应用不仅发生於手机或是电动车上。在得知辉能科技取得突破性技术後,各种有特殊需求的厂商皆来寻求支援。



图4 : 辉能科技发言人许容祯手持固态电池。(摄影/叶奕纬)
图4 : 辉能科技发言人许容祯手持固态电池。(摄影/叶奕纬)

许容祯说:「最初我们只知道自家固态电池可以在高温下作业,并能被死折、撞击、穿刺、撕裂,後来才发现,FLCB还可以在低温、高压、低压下作业。」


因此不论是在高空飞机外(摄氏-65度)、真空低压测试环境、水底高压潜艇(470m),都可以正常运行,因此在工业、医疗等环境也可以有良好的发挥。


专利保护的重要

此次关键技术的突破相当重要,因此辉能科技将在原有厂区旁,加盖一楝办公大楼,彻底将R&D人员与行政专员分开,并且导入X光机检验,确保资料不会有外泄的风险。


许容祯说:「除了先前曾有人员不当泄漏资料外,更早之前,还曾在展场上被人偷过样品呢!此外,业界还有众人皆知的逆还原工程技术,有人曾经大胆地将试验结果带给我们看,还光明正大问我们,怎麽会有材料是无法检验的,那是什麽?於是我们在惊讶之馀,更深刻体认到防密的重要。」


许容祯也说道,未来除了要注意资料安全外,辉能科技也将逐步扩厂,以因应应接不暇的高额需求。以现在的产能看来,供应智慧型手机是没有问题的,但若要供应给电动车使用,就远远不足,并且也需透过高产能来压低生产成本。


目前看来,辉能科技的技术虽已遥遥领先对手,但等到三星、松下等大公司也相继解决电解质特性问题,开始比拚量产能力後,辉能科技就不一定仍有优势,因此得在领先前期站稳脚跟,抢占市场先机,并继续增强研发产能,才能继续保持领先。


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