改搭耐高溫/固態電解質　鋰電池突破可撓式設計難關

7d1b354d-dcfd-4752-8e39-59014df1aac0 · 發表於 2015-5-1 11:28

2015/4 許容禎

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後，成為穿戴式或各類軟性電子裝置成功的最後關鍵拼圖。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迴避的難題：鋰電池安全性。至於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、穿戴電子製造商和車廠關注的目標。固態鋰電池是指採用固態材料製作而成的技術，與現有技術最大的差異，在於將液態/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，因為採用液態/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　圖片來源：輝能科技

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，由於採用薄膜(Thin Film)或厚膜(Thick Film)的關係，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後一哩。

圖2　全固體薄膜鋰電池構造概念圖　圖片來源：輝能科技

圖3　固態鋰電池可具有優異的彎曲能力，適用於穿戴裝置及軟性電子。　圖片來源：輝能科技

在製程部分，固態鋰電池亦有別於一般液態/膠態鋰電池的捲繞或堆疊製程，可採全平面印刷、塗布、沉積、或半導體濺鍍式生產方式；相較於捲繞製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。相較於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，設計上不再受制於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，或口袋裡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係，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於安全性的提升。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，最後燒成骨架，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)等主要的汽車製造商，皆已認定固態鋰電池是未來電動車的關鍵零組件。
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