產業分析－固態電池技術即將走入市場

近幾年隨着電動車興起，除了電池電量需求攀升外，電池起火等安全性議題，亦成爲市場話題。圖／本報資料照片

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全球氣候變遷大會（COP28）在11月30日於杜拜登場，會議焦點之一是降低對於石化燃料的依賴。在這當中，運輸業能源替代是近幾年來不斷被提及的課題，隨着電動車銷售屢創新高、滲透率不斷提升，安全性與里程焦慮也持續被放大檢視，固態電池的量產，有望成爲前述兩大問題的救星。

■液態電池有起火與電量問題　固態電池技術成解決方案

電池作爲儲存電力的一種工具，單位重量能儲存的電量多寡（能量密度）一直是推動其技術發展的關鍵，以鋰離子作爲材料的電池因能量密度較高，自90年代起便成爲主流。隨着技術的演進，能量密度由50Wh/Kg到2020年已突破300Wh/Kg。然而，近幾年隨着電動車興起，除了鋰電池的電量需求攀升外，電池本身因外力造成型變進而導致起火等安全性議題亦成爲市場話題。

以液態電解質作爲能量傳輸介質的鋰離子電池，除了面臨能量密度已接近350wh/Kg的技術瓶頸外，其電解質泄漏引起熱失控產生超過攝氏1,000度的大火，也成爲各家廠商急需解決的問題，並推動固態電解質技術研發。當前固態電池技術發展分三大領域：硫化物電解質、氧化物電解質以及聚合物電解質。

硫化物固態電池：以鋰與硫搭配其他如矽、鍺、鋅等元素作爲固態電解質，其優點在於導電效率與能量密度高，缺點則是硫化物固態電池的成本最高；且由於硫對水氣敏感度較高，容易產生有毒的硫化氫，因此在生產環境與設備投入亦較高。目前此領域的投資以中日韓公司爲主，例如寧德時代、豐田、SK on等。

氧化物固態電池：以鋰與氧化金屬作爲固態電解質如氧化鋰、氧化鋁鋰等，利用氧化物化學穩定性優勢，安全性的表現爲三種技術中最佳，而成本與導電效率則介於中間。目前此領域以新進廠商居多，包含Solid Power、QuantumScape、輝能科技、清陶能源、比亞迪及鴻海等。

聚合物固態電池：聚合物電解質以高分子聚合物搭配鋰鹽組成，如聚丙烯腈、聚氧化乙烯、聚碳酸酯類、聚烷氧基類等。優點爲三者中最具備價格優勢的材料。此外，聚合物固態電池的製成工藝較接近傳統鋰電池，且尚有輕量化、低溫工作時效率較佳等優點。但由於有機聚合物的化學性能較差，因此，電池能量密度及離子傳導率較其他兩種技術表現差。目前此領域投入者以歐美廠商居多，包含Blue Solution、Ionic Materal、SES、蜂巢能源等。

綜觀整體三種固態電池技術發展，由於聚合物固態電池兼顧成本優勢及生產工藝較接近現有鋰電池技術，推測將在近期內成爲固態電池的主流，而氧化物電池則將以安全性、相較聚合物技術更好的導電性，以及更高的能量密度後來居上，在2027年超車成爲主流。

■三種固態電池技術

各有優缺點

根據工研院數據產科國際所數據顯示，固態電池技術上尚有連接面接觸斷裂、電池壽命及成本問題待解決，因此在2023年安裝量僅0.6GWh，滲透率低於1％，但隨着技術預計在2024年有所突破，市場需求將來到3.5GWh，且將以91％年均成長率在2030年達到56.3GWh，驚人的成長潛力讓個大電池廠商紛紛投入資源試圖加速量產腳步。

在燃油車轉電動車大趨勢不變下，無論是傳統車廠或是新創電動車廠，皆希望以更安全且更高續航力的新款電動車搶攻市佔率，對於固態電池的合作上大多抱持積極態度。歐美大車廠皆已跟相關固態電池廠商進行合作，其中較知名的廠商有：BMW合作廠商：Solid Power、SILA、CUBERG。VW合作廠商：QuantumScape、CUBERG。Mecedes合作廠商：輝能科技、Factorial、FARASIS。Ford合作廠商：QuantumScape、Solid Power。量產規畫大多落在2024到2025年。日本豐田汽車則是以自家固態電池主，優先導入油電混和車上，並計劃於2027年推出搭載固態電池的電動車。

在衆多車廠中，中國車廠走在最前面，蔚來汽車於2023年6月公佈，將固態電池導入Nio ES6車款並於7月上市，官方里程續航超過900公里，與自家電池組相比重量重20公斤，但總電量來到150kWh較原先100kWh電池組在相同體積下提升50％。在中國科技領先的威脅下，將推動其他各家廠商投入更多的研發資源加快量產腳步，而各車廠亦將加快導入新技術，2024下半年預估將看到固態電池電動車正式走進市場。