產業技術評析

一、2020年前後國際電動車續航力要求500KM
 

近年國際汽車產業動向中，以電動汽車市場最受矚目，在各主要發展國家的政策大力支持消費者採購或使用電動汽車，加上各國對於減低碳排放的需求逐年嚴格下，衍生出超乎預期的龐大電動車銷售成績。電動汽車的技術發展同樣成為各家車廠與各國政府的投入重點，希望在車輛續航力、可靠性與安全性上逐步提升，拉近與現有燃油車輛的性價比差距。其中在提升整車的續航能力上，從2010年時僅有約百公里續航力的狀況，逐步提升到晚近300~400公里的水準，現今更成為國際車廠如GM、Renault、Audi、Tesla、Porsche等重要技術發展標的，如Audi就預定在2019年發表之Q6 e-tron車型當中將整車續航力提升至500公里之水準，此外Porsche也預定在2021年時將其Mission E系列電動車提升至相同續航力表現，可見整車續航力的技術指標之重要性。
 

資料來源: LG化學(2017/10)
圖一 國際電動汽車續航力要求變化與未來目標
 

二、電池能量密度300Wh/kg需求下如何達成?
 

為達成電動車的500公里整車續航力，車廠可以搭載較多的電池作為動力輸出來源，但也會衍生出車重增加的負面影響，因此在國際產業中多進一步希望要求動力電池的單位元能量密度提升，再搭配其他如輕量化車體或提升電能輸出效率等發展，其中作為電動車主要動力來源的動力電池、及相關的動力電池材料需求特性與需求數量通常受到動力電池技術發展方向所影響。其中如純電動汽車因其完全仰賴電池做為動力來源，因此需要較多電容量設計，所衍生出的電池能量密度要求為不同車型之最。為了讓電池能量密度有所提升，在動力電池部分主要藉由正/負極材料或極板壓實密度提升、提高充電截止電壓以及降低內阻/材料表面阻抗的方式來發展。
 

為了讓動力電池具備較高能量密度、較高功率輸出效率與大電流放電表現、循環壽命、安全性、成本優勢等要求下，材料也被要求朝向高能量密度、高功率輸出效率、更長的循環壽命、高安全性、可在極低溫寒冷氣候下運作與低成本技術要求下發展。目前為了達到下游車廠要求的續航力提升規劃，電池廠商多需要考量將動力電池能量密度提升至300Wh/kg之水準，也因此動力電池廠商也多將300Wh/kg視為到2020年時需要達成之電池性能指標。而為了達成300Wh/kg 之要求，在正/負極材料的導入上提升能量密度為首要之工作，如導入高鎳比例之鋰鎳鈷錳三元正極材料(NCM)、或是使用鋰鎳鈷鋁(NCA)作為正極技術選項，同時搭配較原有主流碳系負極材料具備更高能量密度之矽負極技術來進行搭配，目前國際動力電池廠商大多已將NCM或NCA正極與矽負極技術作為首要的能量密度提升手段，而開始在搭配上述活性材料的前提下，提升電池的循環壽命與解決應用上出現的技術問題。
 

資料來源: CATL(2017/02)
圖二 動力電池300Wh/kg能量密度目標下活性材料設計搭配選項
 

三、正極材料以高鎳化三元和NCA導入與解決應用問題為優先
 

聚焦在NCA正極材料技術討論時，NCA正極材料可說是近年高鎳化技術趨勢的主流，且因其較高的能量密度(理論容量為275 Ah/kg；實際容量近200Ah/kg)吸引電池廠採用。採用鈷取代部分鎳能夠有效提高層狀結構的穩定性，同時能夠提高電化學循環性能，鋁金屬則有利於提高晶體結構穩定性。但其材料合成時二價鎳離子難以氧化為三價，需要在純氧環境下才能氧化完全，其合成溫度難以控制的問題也使結晶程度與合成一致性仍待加強，易與水氣反應生成強鹼物質的特性，也讓材料價格居高不下，且成為電池廠商生產時的環境與良率控制挑戰。若進一步使用NCA-SiOx/G.體系的極版設計，在電池充放電過程中的容量衰減更為迅速，此狀況主要是由於極化導致的SiOx脫鋰容量損失造成。為解決此問題，部分電池廠商目前以其他正極材料如三元系作為包覆層，然後將其包覆NCA材料顆粒。表面均勻包覆的尖晶石相，有效抑制了充放電過程過程中的顆粒開裂，同時避免惰性岩鹽相的生成，以此來解決前述之NCA應用技術問題。或者是將NCA與NCM材料、LMO材料進行適當的比例混和，來平衡正極極板各項技術要求，也有以不同大小顆粒的材料同時混合作為正極極板體系，將原有約3.5g/cc的極板壓實密度提高到3.65g/cc，成為動力電池廠商提升電池能量密度的另一設計選項。
 

資料來源: 工研院IEK(2017/10)
圖三 NCA正極材料導入電池設計時主要技術重點與可行改良方向
 

四、負極材料
 

除了透過改進正極材料技術的方法以外，要增加動力電池電容量，也可藉由負極材料改進來促進電容量之提升。如前述之矽負極因材質較硬不易進行粉體加工與製程極板塗佈、初次不可逆電壓太高、體積膨脹比率過大等問題，過往多次造成電池廠商產品循環壽命大減而影響產品品質與商譽的事件。因此讓下游電池芯廠商減緩導入進程，而為求大幅提升電池電容量，廠商投入研究混合金屬化合物與碳系材料之技術，目前眾多研究機構投入利用奈米材料特性與技術，透過現有碳系材料表面改質技術搭配不同材料間包覆技術來提升性能。
 

在矽負極導入的過程中，目前產業上多認為氣相包覆的碳層完整性明顯好於固相包覆，若能夠處理良好的碳包覆層，可以有效的提高電子導電性，抑制電解液分解，降低膜阻抗，從而降低負極極化之問題。因此目前在碳包覆層的特性、包覆方式、前驅體、包覆工藝上成為主要的技術投入工作，材料廠商致力於在包覆層的形貌、包覆層厚度、完整性控制來影響材料電化學性能，且通過水中分散的方法，快速判斷矽負極材料碳包覆的完整性。
 

資料來源: 工研院IEK(2017/10)
圖四 矽負極材料導入電池設計時主要技術重點與可行改良方向
 

五、小結: 產業首要技術投入重點，但須以系統性思維推進技術研發
 

評估動力電池材料技術與市場體系變化可能時，由電動車需求出發的考量可說是最為明確的技術重點，各項材料均會受到能量密度提昇的電池技術需求影響。除了在原有的材料技術平臺上改良外，對於能量密度更高的高鎳化三元材料、NCA等技術正逐步吸引電池廠商測試導入。只是對於動力電池技術來說，有關於功率密度、安全性與循環壽命等考量仍為重要影響因素，且設計新款電池或導入新材料體系也通常需數年時間方可盡全功，因此在短期間內應仍然保持在提升能量密度、提升工作電壓區間設計為主，伴隨提高材料導電率、改善倍率與低溫放電特性，穩定材料晶體結構、使其能耐受高溫/高電壓等引起的結構畸變，透過包覆、摻雜、鋰位/過渡金屬位/晶格間隙位置換摻雜等方式來進行材料改質的技術發展。
 

(本文作者為工研院IEK執行產業技術前瞻研究與知識服務計畫產業分析師)