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輝能科技突破固態電池技術瓶頸
 

【作者: 葉奕緯】   2018年05月31日 星期四

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近年的電動汽/機車市場逐漸火熱,不論是美國的特斯拉(Tesla)電動汽車,或是歐洲車廠聯合推出的IONITY,甚至是近年在台灣的GOGORO與光陽之間的電動機車競賽,都確實讓電動車進入民眾所關心的範疇事務中。而其中的核心競爭力,即是電池芯。


除了電動車之外,幾乎所有市售的三C產品,採用的都是鋰電池技術,也就是一般的液態電池,然而自從NOTE 7手機發生爆炸事故後,社會才意識到,原來手機中的電池並不安全。


2018年,在美國也發生過一起電動車追撞而引發爆炸的事件,相較於燃油車,電動車雖然發生火災的機率低於燃油車,但由電池內部引起的火災卻更難被撲滅。這都造成電動車廠人心惶惶,因為光是一台特斯拉Model 3車款,裡頭至少擁有七千顆鋰電池,以六顆鋰電池等於一顆手榴彈的威力來比喻,開一台Model 3等於隨身攜帶一千多顆手榴彈在路上跑,這就導致車廠不得不慢下來,細細檢視其能源管理以及安全性上的問題。


因此國外車廠與各大電池廠積極合作,想找出取代液態鋰電池的方法。事實上,業界對於固態電解質的研究已有20年以上歷史,但對於如何克服除去電解液後鋰離子的傳導問題,遲遲無法解決,直至近年來才出現不少解決方案。


如法國Bollore集團透過將電動車電池加熱至攝氏60度以上,來維持固態電池內的導電能力,並於英國少量投放城市租賃車。


而台灣輝能科技(Prologium)則透過電池芯內部獨家導通技術Ceramion來降低內阻,其於2017年發表的內阻值已低於目前市場主流的18650鋰離子電池,並且可以實現快速充放電功能,導電性在現今固態電池的電性水準已足以取代液態鋰電池,更有液態電池所不具備的安全性。


軟板與堆疊技術的結合

輝能科技於十二年起家,創辦人楊思?曾在研究鋰離子聚合物電池以及軟性印刷電路板(Flexible Print Circuit;FPC)的公司任職,在決定創業題目時,楊思?心想,何不將聚合物與軟板兩項技術作結合呢?於是他花費兩年時間待在實驗室中,研發出超薄軟板鋰陶瓷電池(FPC Lithiun-Ceramic Battry, FLCB )。



圖1 : 結合軟板技術能讓FLCB彎曲,解決易脆問題。(攝影/葉奕緯)
圖1 : 結合軟板技術能讓FLCB彎曲,解決易脆問題。(攝影/葉奕緯)

FLCB是全球首個採用軟板為電池基材及封裝材料的電池,以全印刷、塗佈的方式,製作出像軟性電路板一樣薄、一樣可以彎曲的電池,完全顛覆了傳統鋰電池在外觀及製程上的限制。因此,FLCB的外觀如同紙一樣輕薄、可撓曲,還可以客製化多組負極端點,或延伸出軟板、軟排線連接到電路板,取代一般的電線或連接器。


在電池化學系統的部分,FLCB採用的是鋰陶瓷(Lithium-Ceramic)的類固態電解質(Solid-like lectrolyte),克服了傳統電池可能漏液的風險,不僅電性與一般鋰電池類似之外,FLCB在本質上更安全。即使經死折、撞擊、穿刺、撕裂、或火燒 (700-1300 °C)高溫的破壞,也不會起火或爆炸,堪稱是全世界最安全的鋰電池。


雖然解決的製程上的問題,但在電池特性上,仍然無法比擬一般的液態鋰電池,然而在2017年,輝能科技再次進行了突破,解決內阻值的問題,讓電池芯的能量密度獲得大幅提升。


固態與液態之優劣

一般來說,液態與固態電池都有先天上的缺點,例如液態電池的能量密度(Wh/L)的表現上,是完勝固態電池的,因為液態比起固態來說,電傳導的能力表現相當好,然而也會有安全性上的問題,只要電池芯內部遭受強烈撞擊、穿刺或高低溫衝擊,都有可能導致爆炸。


因此,即使液態電池在能量密度上,可以有很好的表現,然而卻不能超過某一定值(如700Wh/L),否則將會發生危險。一般的3C用品如智慧型手機,能量密度可能不需要太高,最多在快速充/放電時有需求而已,但若是使用於電動車上,尤其在爬坡時,就需要高能量密度支撐。


圖2 : EV-Module S使用推疊技術,能極大化電池的空間利用。(攝影/葉奕緯)
圖2 : EV-Module S使用推疊技術,能極大化電池的空間利用。(攝影/葉奕緯)

以電動車廠的考量來看,固態電池能夠降低能源安全管理以及冷卻系統的需求,以特斯拉Model 3來說,其相關管理系統占了70%的空間,但若使用安全的固態電池,就有可能降低至50%左右。因此車廠多將希望放在固態電池特性的突破上。輝能科技便是在此特性上作出突破。


電解液特性比較

既然固態電池這麼好,為什麼到現在才有成品出現?最大的問題在於技術、成本以及製程上有待突破。


2018年中國科學院物理研究所李泓博士在動力電池評測研討會中,詳細說明了六種固態電解質的優缺點比較,並為固態電池區分了十項需考慮的特性:包括還原、氧化、化學、高溫穩定性,另外還有結構應力、製造成本、電芯整合度、離子與電子導電率、離子遷移數。


而固態電池的電解液,目前有六種可行材料,包括氧化物、氰化物、鹵化物、硫化物、固體聚合物以及薄膜,每種材料都有各自的特性。


例如以固體聚合物的特性來說,它的四大穩定性皆差,因此當遇到高溫或是高酸鹼時,會影響電池芯的安全問題,國際車廠BOSCH曾大量投資於專研固體聚合物的電池公司Seeo,但因為未見成效,因此宣布放棄投資,轉而將研究重心放在氫燃料電池。


薄膜式的固態電池,則在結構應力、製造成本、電芯整合度上的表示較差,因為薄膜式需要半導體濺鍍式生產,生產成本相當昂貴,且良率最低,Dyson曾投資Sakit3電池公司專注研究薄膜式技術,最後也因技術上的困難而放棄。


而氰化物和鹵化物目前沒有人員深入探討,硫化物則有以三星及松下為主的韓、日系廠商正值研發階段,預計需要五年的時間才有實質結果;目前唯有台灣輝能科技在氧化物的研究上,不僅在製程上做出突破,它在電池特性也有全新的發展。


電性問題獲得解決

固態電池不僅難以量產,在生產技術上與一般液態電池也完全不同,不論是生產工藝製程、或是生產線的周遭環境都需要大量的資本投入和嚴格參數控制。輝能科技在研究初期,面對的氧化物特性問題,並不比其他電解液來的少。


雖然氧化物擁有最佳的穩定性,可以保證電池芯的安全性高,並且可以在一般大氣下生產,無需特別控制水氣或空氣,但是它的導電性只有0.2-0.6ms/cm,並且以氧化物所組成的極層易脆,只要稍微彎曲就會破裂。


輝能科技透過結合軟板,作為電池基材的固態電池FLCB,先行解決了易脆的問題,除了可彎曲外,還可以進行R2R捲式生產。另外在2017年,輝能科技也克服了因高介面阻抗而無法高速傳導的問題,使得導電性提升至1.9-2.4ms/cm。



圖3 : 透過軟板能讓固態電池嵌入手機背蓋,作為無線充電之用。(攝影/葉奕緯)
圖3 : 透過軟板能讓固態電池嵌入手機背蓋,作為無線充電之用。(攝影/葉奕緯)

輝能科技公司發言人許容禎說:「具體的實行方法涉及到專利,但可以透露的是,電解質等材料雖然是研發的重點,但在製程上也必須隨之更動,而非照搬液態電池的製程,否則還是會有誤差產生。」


應用領域增廣

導電性的問題克服以後,固態電池能夠供應的能量密度也隨之增大,因此在智慧型手機等3C產品上,已經足以支援快速充放電,而在電動車方面,則能在爬坡方面給予足夠的動力,也因為固態電池相對安全,沒有爆炸的疑慮,所以在能源控管、系統冷卻上,可以減少設備的裝置。


不僅如此,輝能科技的固態電池也突破許多傳統限制,讓應用不僅發生於手機或是電動車上。在得知輝能科技取得突破性技術後,各種有特殊需求的廠商皆來尋求支援。



圖4 : 輝能科技發言人許容禎手持固態電池。(攝影/葉奕緯)
圖4 : 輝能科技發言人許容禎手持固態電池。(攝影/葉奕緯)

許容禎說:「最初我們只知道自家固態電池可以在高溫下作業,並能被死折、撞擊、穿刺、撕裂,後來才發現,FLCB還可以在低溫、高壓、低壓下作業。」


因此不論是在高空飛機外(攝氏-65度)、真空低壓測試環境、水底高壓潛艇(470m),都可以正常運行,因此在工業、醫療等環境也可以有良好的發揮。


專利保護的重要

此次關鍵技術的突破相當重要,因此輝能科技將在原有廠區旁,加蓋一棟辦公大樓,徹底將R&D人員與行政專員分開,並且導入X光機檢驗,確保資料不會有外洩的風險。


許容禎說:「除了先前曾有人員不當洩漏資料外,更早之前,還曾在展場上被人偷過樣品呢!此外,業界還有眾人皆知的逆還原工程技術,有人曾經大膽地將試驗結果帶給我們看,還光明正大問我們,怎麼會有材料是無法檢驗的,那是什麼?於是我們在驚訝之餘,更深刻體認到防密的重要。」


許容禎也說道,未來除了要注意資料安全外,輝能科技也將逐步擴廠,以因應應接不暇的高額需求。以現在的產能看來,供應智慧型手機是沒有問題的,但若要供應給電動車使用,就遠遠不足,並且也需透過高產能來壓低生產成本。


目前看來,輝能科技的技術雖已遙遙領先對手,但等到三星、松下等大公司也相繼解決電解質特性問題,開始比拚量產能力後,輝能科技就不一定仍有優勢,因此得在領先前期站穩腳跟,搶佔市場先機,並繼續增強研發產能,才能繼續保持領先。


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