2022年08月26日
專欄作家鍾效京 Chris/
科技新聞從業者 & Podcast 節目主持人，主要報導電動車、雲端運算、區塊鏈等領域。曾任教育部青年發展署 U-star、經濟部中小企業處青年創育坊業師。
科技新聞從業者 & Podcast 節目主持人，主要報導電動車、雲端運算、區塊鏈等領域。曾任教育部青年發展署 U-star、經濟部中小企業處青年創育坊業師。
除了專注在最主流的鋰電池之外，當今科學界與電動車產業紛紛都在尋找電容量更多、成本更便宜，以及更加安全的電池材料，像是日本之前主推的燃料電池（氫動力）、極具成本競爭力的鋁電池、安全性極佳的鈉電池，或是讓鋰電池更安全、充電更快的石墨烯技術。
縱眾所皆知，電動車最重要也最昂貴的零件就是電池，可佔一台車總成本的 40%-60%；但若要在這些新興材料、技術中挑一個現階段潛力最高、距離最近，而且商業可行程度最高的，就當屬固態電池了。
固態電池是什麼？
固態電池顧名思義就是使用固態電解質的電池，在歷史上 19 世紀科學家麥可·法拉第就已經發現硫化銀、氟化鉛可以作為固態電解質；但現代人們口中的「固態電池」專指「固態鋰電池」。
這種電池在 2000 年前後開始逐漸受到美國橡樹嶺國家實驗室等一些單位重視，並開始投入研發。隨後像 TOYOTA、Volkswagen 在 2012、2013 年也陸續進行小規模的研發實驗。但到了 2017 年，當時已高齡 94 歲的鋰離子電池共同發明人 John Goodenough 使用玻璃化合物混合鈉、鋰，推出了新型固態電池，其能量密度達可以現有鋰離子電池達三倍之多，可謂驚豔世人，並讓許多車廠、新創紛紛投入新固態電池的開發工作，像新創公司 Solid Power 就曾獲得三星、現代、Ford、BMW 等大廠投資。
固態電池成分上使用陶瓷、玻璃或其他固體材料跟鋰、鈉一起當作電解質，同時也使用一層薄薄的鋰金屬在陽極結構上。固態電池的原理其實跟鋰電池一模一樣，但不需要防止正極與負極側液體混合的隔膜。
液態鋰電池大多使用碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯等可燃性有機溶劑，所以需要注意電池周遭環境的溫度，但是固態電池電解質可以用上不易燃的材料，可以更耐高溫（與低溫），也比較不容易生成鋰枝晶造成短路，可以讓固態電池接受更快的充電速度，並具備更佳的能量密度以及材料可塑性，可折彎、折疊塑造成各種形狀使用。
如果用電解質材料來做分類，目前固態電池可分硫化物、氧化物與聚合物三大類。目前硫化物材質的導電率最高，但必須在全惰性氣體環境下組裝，不然容易產生有毒的硫化氫；氧化物材質在三大類裡最穩定，但本身介面抗阻大、離子電導性較低，成本也較高。有機聚合物固態電解質則是最經濟、也是目前技術最成熟的材料，但離子電導性是三者裡面最低，必須要把材料加熱到攝氏 60 度的工作溫度，才能獲得較好的離子電導率。
此外還能依照製造型態，分成堆積型固態電池與薄膜型全固態電池，前者是電極、電解質使用顆粒材料組成，可以製作成能量密度更高的大容量電池，後者則是在電極上堆積薄膜狀電解質所製造，能量密度較少但更穩定，比起電動車更適合用在小型 IoT 裝置上。另外，現在還有許多研究單位或企業致力於用泥狀體所打造的半固態電池，可能作為液態鋰電池跟固態電池之間的過渡期。
固態電池的市場潛力
少了液態電解質，固態電池比現有的鋰電池更耐高溫，而且不外漏、不揮發，大幅降低火燒車或是電解質導致中毒的問題。但固態電池最大的優勢還是在於環保。歐洲環保組織Transport and Environment（T&E）委託 Minviro 最近做了一份研究報告，他們使用目前最穩定之一的 NMC-811 固態電池與液態鋰電池相比，指出固態電池可以讓電動車電池的碳足跡減少 24%，若再搭上地熱井提煉等新的採礦方式，更可以將碳足跡一口氣減少至 24%。
全球越來越嚴肅面對氣候變遷並極力降低碳足跡，讓固態電池備受矚目。根據市調機構 Straits Research 的分析，全球固態電池市場規模到 2030 年時預計成長至 131 億美元，複合年成長率為預測為 36.4%；另有報告指出，全球固態電池製造量也將從 2022年 的 2.1 GWh，到 2030 年成長至 160.1 GWh。
固態電池市場上主要廠商在美國已經有 Solid Power、QuantumScape 各自在納斯達克與紐約證交所掛牌，日本則有 Panasonic 跟 TOYOTA 成立合資公司，韓國 LG、三星也都各自讓能源子公司從事相關開發，中國則有寧德時代、清陶能源、蜂巢能源投入，這些公司大多都預告在未來 5 年內就能進入投產階段，而台灣的輝能科技也在 2022 年跟著宣布今年就會投產。
有哪些挑戰待突破？
固態電池的未來潛力看似無窮，但實際上還有許多問題需要克服，首先固態電池必須要有昂貴的真空沉積設備才能製造，成本還是偏高且難以規模化。而且不管是用玻璃、陶瓷電解質的固態電池，都需要高壓來保持跟電極接觸，只要壓力一抓不好，很可能會導致電解質碎裂損毀。
此外，固態電池在電極-電解質之間的界面不穩定也是有帶攻克的問題，固態電解質與電極接觸後很容易在介面上產生鈍化，進一步大幅降低電池壽命。
最後一個更現實的問題則是「鋰」本身，考量到鋰開產量、需求量日益增高，美國銀行全球研究 (BAC) 提出報告指出全球電動車電池產量在 2025-2026 年就會供不應求，另一方面雖然能量密度更高也更安全，但固態電池比液態鋰電池需要多 35% 的鋰，就算固態電池技術上近年就能順利量產化，也一定會遇到鋰量供不應求、成本疊疊上升的挑戰。