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可撓式鋰電池技術進展邁大步。鋰電池改搭固態電解質，不僅能改善傳統液態/膠態電解液容易外溢與高溫易燃的問題，亦可達成高撓曲度設計目標，迎合穿戴式電子產品對薄形、可撓及高安全性的需求，可望開啟新的應用商機。 鋰電池技術已發展20多年，但至今仍存在一個且唯一的問題是：有沒有更好的電池呢？隨著物聯網、穿戴式電子應用市場興起，鋰電池更面臨新的技術門檻--微小化，此一需求讓“可彎曲”鋰電池繼彎曲螢幕和彎曲面板之后，成為穿戴式或各類軟性電子裝置成功的最后關鍵拼圖。 與此同時，由特斯拉(Tesla)帶動成長的電動車(EV)熱潮，正面對頻繁的爆炸意外事故，導致鋰電池供應商須克服另一個無法回避的難題：鋰電池安全性。至于已成日常生活必需品的IT產業智慧型手機也在功能不斷增加整合下，突顯使用續航電力不夠、使用不便利的問題，這些新的發展需求皆刺激鋰電池技術革新。 滿足安全/可撓式設計固態鋰電池應運而生 因應上述設計挑戰，鋰電池廠商已提出固態鋰電池解決方案，可達成更輕薄、安全、潛在能量密度更高，且可以彎曲貼附在人體或各種曲面機構的特性，成為IT、穿戴電子制造商和車廠關注的目標。 固態鋰電池是指采用固態材料制作而成的技術，與現有技術最大的差異，在于將液態/膠態高分子電解液，改為固態電解質(圖1)。目前市面上眾人皆知的鋰電池，因為采用液態/膠態高分子電解液，所以容易燃燒、漏液、高溫時會溶解、低溫時會鹽攜出，但固態電解質耐高溫、不可燃的特性，使其熱穩定性高，不會有起火、爆炸或過熱等安全性問題，當然也沒有漏液的可能性，電池正負極亦不溶解或鹽攜出，具有極高度的安全性。 
圖1 鋰電池液態/固態電解質比較 新型固態鋰電池正負極化學材料部分，則可與現有鋰電池技術共用，甚至因為改用固態電解質，而能實現一般鋰電池所無法使用的材料設計，如碳化矽(SiC)薄膜，或鋰金屬(Lithium-Metal)負極，具有可提升電池性能的優勢。更重要的是，由于采用薄膜(Thin Film)或厚膜(Thick Film)的關系，使得固態鋰電池也具有高度的撓曲能力，可以反覆自由彎曲(圖2、3)，成為穿戴式電子成功的最后一哩。
在制程部分，固態鋰電池亦有別于一般液態/膠態鋰電池的卷繞或堆疊制程，可采全平面印刷、涂布、沉積、或半導體濺鍍式生產方式；相較于卷繞制程所需耗費的大量人力，固態鋰電池人力成本相對低。 契合穿戴裝置/電動車固態鋰電池壯大聲勢 顯而易見，固態鋰電池“更薄”、“可彎曲”、“更安全”、“使用壽命更長”、“設計彈性更大”的諸多優勢，在IT及穿戴式電子設計上極具價值。相較于現有鋰電池最低只能做到約2毫米(mm)厚度，固態鋰電池可發揮其超薄(<1mm)及可彎曲的優勢，使電子裝置厚度薄型化、外觀可撓曲化，設計上不再受制于傳統鋰電池機構和厚度的限制，讓設計師/工程師設計上更彈性、自由。 此外，固態鋰電池極度安全，不起火不爆炸，安全性大幅超越現有鋰電池技術，使用者再也不用擔心身上的電子裝置會漏出黏液到手上，或口袋里的智慧手機會突然自燃。再者，材料作用時因離子本身不移動的關系，不可逆反應大幅減少，電池壽命更具提升的潛力。 在動力應用價值上，固態鋰電池主要貢獻則在于安全性的提升。例如特斯拉2013年發生的三起火燒車事故，以及比亞迪電動計程車2012年起火事件，最后燒成骨架，同時釀成三人當場死亡的案例，至今仍記憶猶新；為因應電動車的安全性議題，國際廠商相繼跨越中下游，直接投入上游零組件的固態電池研發行列，通用汽車(GM)和豐田(Toyota)等主要的汽車制造商，皆已認定固態鋰電池是未來電動車的關鍵零組件。 固態鋰電池轉向非薄膜材料發展 固態鋰電池發展之初大多為薄膜電池，2010-2011年全球產量約一百五十萬顆電池芯左右，以IPS(Infinite Power Solutions)這家廠商的市占率最高，約達到60%以上，標準品單電芯的電容量為0.7-1毫安時(mAh)。同一時期，韓系廠商GS Nano Tech也積極研發固態薄膜電池，并已于2010年導入產能達70萬顆電池芯的量產線，主要供應軍用的安全卡片。 矢野經濟研究院推估，2011年間，上述兩間廠商合計的市占率高達80%，但2012-2013年薄膜電池市場需求趨緩，GS Nano Tech的母公司GS Caltex見收益困難，遂解散GS Nano Tech；而IPS也難逃大環境的改變，于2014年出售公司。至此，固態薄膜電池逐漸淡出市場，探究衰退原因主要系成本太高、充放電問題，以及電池芯容量太低。 近期崛起的固態鋰電池制造業者，大都采用非薄膜材料，并致力于電容量之提升。部分廠商也已成功量產，并導入3C配件、智慧顯示卡(Smart Display Card)、或無線射頻辨識(RFID)的相關應用，前景看好。 各國競逐固態鋰電池 臺廠技術研究成果亮眼 固態電池的超薄、可撓曲、超安全及高度熱穩定特性，逐漸在市場上嶄露頭角，并獲得國際大廠的肯定與青睞，朝取代現有鋰電池技術的方向快速發展。 不過，由于固態電池存在著一個先天上鋰離子導電度較低的障礙，也就是固態電解質不能夠像液體電解液一般那樣快速地傳導鋰離子，內阻值較液態電池高，而導致固態鋰電池的充放電能力不如液態電解液的鋰電池。因此，固態鋰電池接下來發展的主要任務，將聚焦幾個層面，包括降低介面阻抗值，以及因應商品化的低成本大量生產技術。 目前投入固態鋰電池開發的國家當中，日本具備完整且數量較多的產學研開發體系，韓國有Samsung SDI等大集團與大學院校的參與，美國則較集中于極板結構設計與制程方面。至于臺灣是法人、大學院校與廠商均有投入，盡管投入的數量較其他國家少，但研發成果卻遙遙領先國際，不論是在產品規格電性上，或是在商業化程度上，都成為國際眾多競爭對手和潛在競爭對手的標竿(表1)。 其中，輝能科技已于2014年底成功將其固態鋰電池產品的介面阻抗降低一半以上，使其充放電能力近乎一般的液態/膠態鋰電池，并同步開始著手進行全線制程卷對卷生產的制造技術，準備邁向大量商品化，以提高在固態鋰電池市場的占有率。 在未來策略上，全球固態鋰電池技術有機會在輕薄化設計、大容量與單電芯應用、可撓式及超高能量密度電源設計等方面大展拳腳，并廣泛應用于3C產品、穿戴式電子、軟性電子、物聯網、電動車、工業應用、智慧醫療、特殊安全性需求等產業，進而取代現有一般鋰電池技術，成為次世代電池。 來源：新電子 |
