在2021到2040年期間，介於液態和全固態的混成固態，有望達到高安全性、高能量密度和低成本的可能性。然後再慢慢轉進，形成一個全固態狀況。

演講人：輝能科技股份有限公司CEO楊思枬

演講主題：固態電池在電動車市場商業化可行性與產業化時間

輝能科技專注固態電池13年，一開始我們的產品基本上像溫教授所說，是用軟性電路板為電池基材，就是所謂的軟性電子、軟性電池的部分。我們把軟性電路板和陶瓷電池整合在一起，既然軟性電子要穿在身上，一定要非常安全，當時的想法一開始只是想用一般的聚合物來執行，後來發現聚合物的電池還是有很多風險，所以在2006~2008年公司初創前期我們選擇了氧化物作為電解質系統，從2008~2012年我們花了很長時間進行研究，在2012年日本電池展時正式展出我們的電池。那時候的倍率狀況是1C放電大概只有50%~60%，但至少室溫可行。

2012年以後，我們接到了一個訂單，來自於HTC。我們是全球第一個生產氧化物固態電池、同時在市場銷售的一家公司。因此，歐洲兩家車廠買了HTC產品，取出我們的電池，做了逆分解之後覺得我們電池非常安全，就說我們電池很不錯，很安全，但是有一個很大的問題，電池阻值超級高，大概是一般電池的15~20倍，這樣沒辦法在動力電池上執行。我們從頭到尾都沒有想過在動力電池上執行，有這樣的機會點，我們就朝向混成固態的部分去思考。

我們一開始是全固態，後來反而往混成固態上走，重新做了很特定的設計解決這個問題。我們並沒有覺得它一定能夠成功，2016年底把這個產品交給了歐洲車廠做測試，得到了比較有趣的反饋:第一、我們的阻值ACIR降到跟現在現行鋰電池差不多，DCIR還是有2~3倍的差距點，這我們會持續修正。第二、安全性沒有太大的變化。

今天的題目是產業化的概念，產業化必須要思考2020~2040年的前景。因為安全性的問題，產生了比較大的困擾，這時候在能量密度的提升必須得跟安全性進行妥協。這個過程當中就產生了一些缺陷，從NCM811的狀況來看，現在多數都已經開始在匯入，但是真正大量量產的時間點在很多研調單位提到的大概都在2025年以後，才會把現行的622多數轉換為811，轉化比例大概50%而已。剛才溫教授提到鋰硫電池和鋰空氣電池，是最終極的狀況，它們的能量密度非常高。當然這些技術還是有很多問題點，所以產品技術要到2040年以後才能商業化。

因此在2021到2040年期間，固體電池可能會是一個比較好的解決方案。我所謂的固態電池採用的是混成概念，再慢慢轉進，有機會形成一個所謂的全固態狀況。混成是介於液態和全固態的解決方案，有可能達到高安全性、高能量密度和低成本的可能性。

簡單介紹一下現行主要的固態電池技術路線，我想thinfilm battery大概大家都知道它已經走不下去了，連Dyson自己都放棄造車、也放棄Sakti3，主要就是在量產性上面的問題點。如圖，固態聚合物量產性很好，但導電需要加溫，穩定性也相對不好，必須有電壓的限制，所以只能用到LFP的狀況，電池包因為要加熱，成組後的能量密度並不好。其實電芯能量密度並不代表電池包的能量密度，電池包如果複雜設計的話，它的能量密度相對來講就會低一點，能量密度低的情況下，沒辦法跟後面的氧化物和硫化物做對比。硫化物和氧化物厚膜技術目前看起來應該是比較主流的路線，以導電度來看，硫化物可以做到導電度10的負2次方，主要問題是穩定性。介面穩定性相對比較差，它跟正極、溶劑、binder都必須用非常獨特的東西來做。最麻煩的地方在於它的含水量，非常容易吸水，會產生去水和HS的問題。所以硫化物需要在負80的dewpoint情況下執行，氧化物就相對容易得多。但是氧化物有它的問題，第一就是導電度，10的負3次方介面導電度比硫化物和聚合物差，物理接觸面積、也就是覆蓋性是氧化物非常大的問題點。另外，它非常硬，造成它非常容易產生內部短路問題、破裂問題，造成量產性變差。

我們公司從2008年開始執行這個部分，不斷地做一些克服，像內部裡面的極層破裂，我們用microcell技術解決，介面內阻以ceramion技術解決。

原則上，2018年以前氧化物真的釋出執行的人很少，但之後大幅度地跳躍。像QuantumScape2016年以前是固態聚合物技術，2017年之後改採氧化物厚膜技術。至於TDK, FDK, NGK本身是燒結型全固態電解質，但很可惜的是容量太小無法做到動力電池，而現在國內的其他可敬的對手，像清陶、衛藍、鋒鋰等，早期都不是做氧化物的，之後陸陸續續投向氧化物的懷抱。我們也理解到，氧化物可能初期很難開發，但是後期在量產上有它的好處。

接下來是全球研發固態電池的廠商分佈地圖，在不同的技術架構狀況下，做氧化物越來越多。另外就是量產時間點，現在看起來大概只有兩家公司有提出，一個是豐田，另外一家是我們。我們也必須要講，我們兩個的路線雖然在主要的固態電解質系統來講有相當的差距點，他們是硫化物，我們是氧化物，他們是全固態，硫化物不能做成混合固態，問題點會比液態電池更多，我們第一代氧化物屬於混成固態的概念，但是我們選擇的正極是三元系、選擇負極是Graphite+Sillion oxide，封裝技術跟他們有相同的模式，這部分代表的是我們在路線上是非常相近的。

再來這是我們主要的兩個核心架構技術，一個是鋰陶瓷電池，一個是MAB。固態電池基本上從固態電解質材料，進入電池芯的設計，最後到電池包的設計，全套都應該要為了固態電解質全新做設計，這樣的解決方案才是固態電池能夠在產業界裡面執行的最重要的原因。MAB，因為它是直接內堆疊的方式做串聯，不是用外部串聯的方式，所以以歐姆定義來看，電子幾乎沒有移動距離，電池的移動面積非常大，所以阻值非常小，不但不會增加阻值，還會降低阻值，所以它的產熱會少，同時冷卻系統也可以做一個簡化。固態電池不是不用冷卻，我們不但要用冷卻系統，還加上MAB。MAB可以這樣看，假設這塊是整個電池，我們把這個電池再切小一點，讓它的邊緣可以進行散熱，因為太大片電池，中間的熱無法傳出，這樣的狀況就缺乏了垂直串聯的可能性，所以我們開發了一個技術——橫向串聯。這就是我們今年得了愛迪生獎Edisonaward金獎的創新發明技術。

其次是產業化，產業化第一個一定要有基礎技術開發，第二個是產品商業化，所有電池效能滿足市場需求之後，才會進入到產品產業化，到中試線、到量產線。這是現階段的狀況，一開始我們的初心就是為了安全，接下來持續利用片狀生產的樣片線持續做開發，讓我們的產品商業化達到水準：三大剛性需求和三大彈性需求，這部分原則上是新能源車最重要的需求點。商業化之後才確立卷式生產的中試線，最後到量產線。

三大剛性需求的第一點是高安全性。這個問題點是，氧化物跟硫化物跟固態聚合物在材料本質上還是有差別的，像硫化物在HS是有可燃性和毒性的，這些都是很大的問題。那我們的氧化物電池首先是在一千度左右下，離子導通能力變化不大，接著這張是單純正極放熱峰和塗了氧化物電解質的正極放熱峰比較，因為有了氧化物這層之後，放熱峰基本上縮小，而且是往後移。

再來是固態電解質的隔層，用固態電解質所形成的隔層，即使在300度C的高溫下，它的尺寸也沒有變化。且高壓電阻值維持相當的狀況，非常高的水準，持續在300度左右的時候，都能夠有很好的阻絕效果。回過頭看這個液態電池熱失控的說明，最大問題點在圖上的2和4。2是140度C時隔離膜溶化，正極和負極接觸在一起，把整個電池容量釋放出來。所有液態電池都有隔離膜，一旦有隔膜就會產生這個問題，所以現在多數的高溫thermalrunaway測試，例如 Oven test，大概只有130度，不管是UL認證、PSE認證等等都是一樣。而圖上的4，正極和液態電解質一接觸會降低triggerpoint，所以像NMC811在180度C就會分解，一旦分解會產生大量氧氣和熱量，產生熱失控。對比右圖我們電池，4的部分，這邊有一個小小的peak放熱峰，但那個peak不在180度C，在230~240度C，我們溫度有往後延，peak量也小。再加上電壓下降幅度也很小，一直到280度的狀態下，它的電壓值只是稍微下降，並不是一個立刻猝死的狀況，安全性從這邊可以看的出來。

安全性總的來說，第一必須容量要大，第二必須是量產產品，像上述測試的電池就是由我們中試線產生出來的，第三它安全性必須高於液態電池非常多。三大剛性需求的第二點是高能量密度，由於固態電解質的密度較高，所以固態電解質如果採用相同的活性材料，基本上電池芯能量密度沒有辦法跟液態電池相比，必須用很高的材料才能超過液態電池。如圖，我們在NMC811+Graphite能做到240Wh/kg，差不多等於CATL的NMC811+Graphite液態電池的比能量，液態電池不需用到Si負極就可以做到。而這是我們另外一款電池，用了100%Si就能夠做到330Wh/kg。上述2款都是混合固態，最後一款是全固態的，把Li-metal和NMC811加起來就能夠做到383Wh/kg。但是330Wh/kg 的純Si負極電池cycle 只有400-500次、383Wh/kg鋰金屬負極 cycle 只有260次，所以這兩款還不是商業化產品， 真正商業化產品應該是240Wh/kg這一款cycle也高的狀況，它還有機會。

這個是我們現在的路譜概念，我們有第一代固態和第二代固態的狀況，能量密度會持續提升。除了從電芯增加能量密度之外，我們也試著從電池模組增加的方式來做，這點豐田有相同的做法。豐田第一代量產電芯是450Wh/L，乘75%的體積成組效率，希望電池包能做到338Wh/L的狀況。特斯拉現在電芯是715Wh/L的密度，乘33%的體積成組效率，得到236Wh/L的電池包。所以豐田就算電芯只有450Wh/L，在高成組效率狀況下電池包能量密度還是得到了很大的成長空間。那輝能2020年電芯路譜543Wh/L乘上75%的體積成組效率，電池包可以做到407Wh/L。這部分的成組效率是一個非常重要的點，而BiPolar雙極電池技術在這上面有一個很大的貢獻。

談到三大剛性需求的第三點成本問題，剛才提到要用更高利用率的活性材料才能達到更高能量密度，但伴隨的另一個問題點是這個材料非常昂貴，另外這個材料供應量非常少，這時候要進入到巨大的市場，其實這百分之百是個悖論，根本不可能發生的狀況。剛才豐田的路線也給我們指出了另外一個方向，就是把三個技術合併在一起，電芯材料、電芯加上電池包技術，整合在一起，就會有戲劇化的變化。如圖表，假設活性材料完全相同都是NMC811+Graphite，液態電池芯245Wh/kg乘上73%，電池包有175Wh/kg，我們電池芯只有215Wh/kg，乘上成組效率82~85%，我們能做到176~183Wh/kg電池包，如果是體積能量密度530Wh/L，成組效率70~75%，我們電池包能達到397Wh/L，優於液態電池包的307Wh/L。即便用的活性材料相同，但我們可以利用成組效率方式，來加強電池包的能量密度，而多數車廠實際上要的不是cell的能量密度，而是pack的能量密度，另外因為MAB可以簡化冷卻系統(不是不要，是簡化)、簡化BMS系統、簡化保護材機構，所以MAB Pack成本僅佔一般傳統封裝方式的七成。而當固態電池產能達到10GWh到20GWh時，我們的成本就可以跟現在的液態電池接近。

最後是三大彈性需求。現在的放電能力和充電能力來看，我們跟液態電池比較，2C和3C表現差不多。之前有提到我們在高溫60度C下也沒問題，所以在快充過程中電芯溫度上升也沒關係，4C15分鐘可以做到98%，5C 12分鐘可以做到91%的狀況，所以快充也是有機會做到。在迴圈壽命上來講，如圖，對標現在的CATL和三星SDI的資料，我們0.5C/0.5C有1800次，1C/1C有1300次，0.5C/2C 也有600~700次。高溫60度C迴圈方面，我們可以做到500次83%的狀況。那從2C和4C快充迴圈壽命來看，迴圈800-900次曲線幾乎還是平的。使用壽命部份，這個是日本廠商做的測試，它認為我們是最穩定的電池，因為可以看到在60度60天放置，得到的retention值90~95%，最重要的這個DCIR值幾乎完全沒有增加，這表示基本上在高串狀況下，不會因為DCIR變化造成很大的充不飽放不完cellbalance上的問題點。其次是高低溫的操作，也是非常寬廣的，充電可以從負20度到85度C，放電可以從負40度到85度C (負40度只有在0.05C到1C下可以做到)。另外儲存溫度是負65度C，高溫儲存可以到85度~105度C。

最後看一下產業化的狀況，我們需要商業化後才能完成材料、裝置、工藝的確立，這是我們跟一般電池的差異點。重點是，我們需要有2907個控制點才能夠執行完成。最後是良率狀況，良率92%，cyclelife非常穩定，一致性夠高。最後就是要進入產業化了，這個是我們在今年2019年到2021年的最終目標。我們在固態電池上來講是有機會可以持續執行下去，也謝謝大家，希望各位前輩各位同伴們也好，國內也好、國際也好，我們非常希望大家一起努力，能夠把固態電池推到一個高點，同時候讓我們可以提出更好、更安全的產品給全世界的消費者使用，謝謝。

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