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走一趟鋰電池的前世今生

走一趟鋰電池的前世今生

林玉圓

科技

工業技術與資訊

2022-04-19 17:30

鋰離子電池商業化迄今30年,每年數以億計的手機、筆電等3C產品,加上電動車、綠能儲能等新興需求,推升鋰電池市場爆炸性成長。而鋰電池從材料、電池芯到電池組,進入各式產品,到功成身退的汰役電池降階使用,或報廢萃出有價材料,「從搖籃到搖籃」的循環經濟價值鏈,有機會成為下世代含金量最高的明星產業。

更強、更安全、更永續

鋰電池價值鏈成明日之星

 

鋰電池

鋰電池「從搖籃到搖籃」的循環經濟價值鏈,有機會成為下世代含金量最高的明星產業。
 

西元前6世紀,希臘學者發現靜電後,人類自此識得「電的存在」,直到17世紀才知「用電」。1745年荷蘭發明的萊頓瓶(Leyden Jar)是第一個儲存靜電的裝置,以今天的標準來看,它僅是一次性放電的電容而非電池,卻開啟了電池技術的演進。從19世紀的碳鋅電池、鉛酸電池,到索尼(SONY)於1991年成功開發出的第一顆商用鋰離子電池,電池體積大幅縮小、續航力更強,也讓筆電、手機等3C產品更輕薄,一躍成為全球主流的儲能裝置。

 

鋰電池驅動數位生活 諾貝爾獎表彰貢獻

 

鋰離子電池成為今日數位生活的要角,其發展過程並非一夕到位,而是經過幾個階段的改良。1970年代爆發石油危機,全球開始對電動車產生興趣,大型工業實驗室紛紛投入電池技術研發,以解決主流鉛酸電池續航力不佳的問題。埃克森實驗室的研究員威廷漢(Stan Whittingham)研發出採用鋰金屬為負極、二硫化鈦為正極的鋰電池,離子流動效果意外良好,可惜這種鋰金屬電池無法重複充放電,且有著易燃的缺點。

 

隨著石油危機告終,加上1980年代一宗鋰金屬電池導致手機燃燒事件,鋰金屬電池自此被打入冷宮。科學界仍鍥而不捨,持續改良,美國學者古德納(John Goodenough)以鈷酸鋰(鋰鈷)取代二硫化鈦,發現能夠儲存更多能量;日本學者吉野彰(Akira Yoshino)進一步將負極的純鋰更換為焦炭,終於讓鋰電池的易燃風險降低,性能依舊良好。為表彰鋰電池於人類生活的貢獻,2019年的諾貝爾化學獎,將桂冠頒給了在鋰離子電池的演進上貢獻卓著的三位學者:威廷漢、古德納、吉野彰。

 

此後,鋰離子的正負極材料仍不斷演進,1990年代的第一代鋰離子電池採用鈷酸鋰(鋰鈷LiCoO2)、錳酸鋰(鋰鈷LiMn2O4)等為正極,以碳/石墨為負極;2005年低鎳鋰三元正極電池問世,應用於電動車;2018年負極也在石墨中添加了矽氧碳等。2010年商用磷酸鋰鐵(LiMPO4)電池問世,壽命更長、電壓更高;2008年特斯拉採用鋰鎳鈷鋁正極的鋰電池在其第一款電動車Roadster上面;2016年開始高鎳鋰三元正極被商業化應用,藉由提高鎳含量到80%,降低鈷含量到10%,不但增加正極材料電容量,也大幅提高電池的能量密度,並用於特斯拉電動車與儲能系統。

 

下世代鋰電池應用 電動車最大宗

 

隨著電動車普及、再生能源、智慧電網等應用推陳出新,鋰電池在能量密度、循環壽命、續航力、成本、安全等面向都須滿足更高規格的要求,也因此從汽車大廠、工業集團到新創公司,正全力投入下世代電池的研發。

 

工研院材料與化工研究所儲能材料及技術研究組組長陳金銘表示,下世代電池需求主要有兩大面向,一是定置式儲能,如家庭、工商、電網的儲能系統;二是移動式儲能,如電動車、電動機車、電動巴士等,其中又以電動車的爆發力最強、商機最大。以鋰離子電池技術而言,每回技術的躍進,意味著成本的降低,國際能源總署(IEA)估算,2020年車用鋰離子電池組每度電成本約105美元,較10年前大降9成,到了2030年,每度電將進一步降至70美元,成本優勢已與燃油車相近,鋰電池將在運輸電氣化的過程中,扮演關鍵推手。

 

「鋰離子電池應用日趨多元,前景固然看好,但也存在著挑戰和限制,」陳金銘說,傳統鋰離子電池的能量密度有其上限,要再進一步提升,必須使用鋰金屬取代石墨做為負極。然而,鋰金屬在液態電解液進行電池充放過程中會生成鋰枝晶(Lithium Dendrite),穿過隔離膜觸及正極,易造成電池短路甚至爆炸。此外,鋰離子電池的電解液是液態有機溶劑,容易被火苗點燃導致安全問題;隨著充放電次數增加,電池壽命也深受影響。

 

電池

下世代電池需求主要有兩大面向,一是定置式儲能,二是移動式儲能,其中又以電動車的爆發力最強、商機最大。
 

固態電池儲能新希望 大廠爭相投入

 

在這樣的限制之下,固態電池就成了儲能領域的新希望。所謂的固態電池,即以固態電解質來取代液態電解液,增加高能量電池的安全性,使得固態電池能量密度達450~500Wh/kg,是傳統鋰離子電池的能量密度180(鋰鐵電池)~250Wh/kg(鋰三元電池)的2倍,並同時兼具高安全性與不漏液的優點,固態電解質可抑制材料反應,不易燃燒、並可延長電池壽命;固態電池較輕,相同電容量的固態電池,重量僅為鋰離子電池的一半。

 

由於電池技術將是未來電動車勝出的最大關鍵,固態電池新創公司包括Quantum Scape、SES、Solid Power、Factorial Energy紛紛獲得各大主要車廠,如賓士、BMW、福特、福斯汽車等的投資;而日本豐田(TOYOTA)、日產(Nissan)則是選擇自行投入固態電池研發,豐田更發出豪語,將在2025年推出搭載固態電池的車款。

 

鋰電池

 

鋰電池回收再用 實現淨零不可或缺

 

在追逐更高性能的下世代電池的同時,一場鋰電池「從搖籃到搖籃」的科技也正在發展中。彭博財經社預估,到2040年,全球三分之二的車輛是電動車,每部車搭載的電池系統,內含數百乃至上千個鋰電池芯,一旦電池續電力不足,或車輛報廢,所產生的鋰電池廢棄物可說是相當可觀。為解決廢棄鋰電池造成的環境問題,減少生產鋰電池所需的能資源耗用,鋰電池的回收再利用可說是淨零碳排不可或缺的一環。

 

為協助國內產業爭取下世代電池商機,工研院持續精進鋰離子電池材料,投入固態電池研發,採用特殊樹脂化合物的固態電池獲得2020年全球百大科技研發獎(R&D 100 Awards)肯定;在鋰電池回收與處理技術方面,工研院也開發出電池降階回用的解決方案,運用人工智慧控制放電負載,讓汰役的不同性能電池模組,有效組合成儲能系統;此外,針對報廢鋰電池,也開發出濕法提煉技術,將有價金屬回收再利用。

 

鋰電池解除了定置供電的束縛,造就30年來無所不在的數位生活,未來在科技持續精進下,還有機會讓人類從化石燃料的世界解放出來,邁向淨零碳排的願景。在此之前,我們必須建立鋰電池從生產、廢棄到再生的綠色循環,讓鋰電池的前世與今生,與人類的永續發展一樣,生生不息。

 

尋找儲能技術的聖杯

全球搶進固態電池生態系

 

高離子導電樹脂為解決鋰離子電池的能量極限及安全隱憂,業界轉向固態電池的研發。工研院開發出「高能量及高安全樹脂固態電池」,以高離子導電樹脂(NAEPE)材料取代易燃的電解液。
 

淨零碳排趨勢下,再生能源與電動車是各國重要綠能政策,但此兩大應用均仰賴更高規格的儲能系統,具有多方面優勢的固態電池成為儲能領域的聖杯,引發各國積極搶進,預計5到10年內將固態電池推向商業市場。臺灣在這項技術上也沒有缺席,從類固態的樹脂電池開始,預計2030年邁向全固態電池。

 

聯合國氣候峰會COP26對氣候變遷的警告言猶在耳,全球都在加速綠能與電動車的發展,以期盡快壓低溫室氣體的排放。根據國際再生能源機構(IRENA)最新《2021年再生能源統計》報告,全球再生能源占比從2011年的25.1%,成長至2020年的36.6%,然而,再生能源具有間歇性、不易預測的特質,有賴儲能裝置維持供電系統穩定。

 

另一方面,在各國政策推波助瀾下,電動車也出現大幅成長。研究機構Canalys也預估,2021年全球車市受疫情影響僅成長4%,然電動車逆勢熱賣,年增109%,若非車用晶片短缺,銷量還會更可觀。汽車電氣化時代可望提前來臨。

 

鋰電池市場翻倍 傳統技術逼近極限

 

不論是再生能源電網或電動車,最關鍵的技術就是儲能系統。目前全球儲能技術可分為三大類:機械式儲能(如抽蓄水力發電)、電化學儲能(鋰電池)、化學儲能(燃料電池),其中以鋰電池占8成以上,為市場主流技術。工研院估算,包括電動車輛及定置儲能系統在內,2021年全球鋰電池需求量為303GWh,2030年將超越1200GWh,增至4倍以上,市場規模相當可觀。

 

工研院材料與化工研究所組長陳金銘表示,目前的主流技術鋰離子電池,其能量密度已逼近300Wh/kg的物理極限,因此業界全力投入能量密度可達500Wh/kg的固態電池研發,尤其在電動車這樣的大眾消費市場,商業潛力將更快實現。傳統鋰離子電池主要構造包括正負極、液態電解液、隔離膜及結構殼體;其中電解液能夠快速傳導鋰離子,使得鋰電池能夠提供大電流應用 ,不過因其易燃,40度以上的高溫便有安全及壽命銳減的疑慮,這也是為什麼電動車大廠特斯拉(Tesla)特別替Model S車款設計了嚴格的溫控系統,以確保電池使用的安全。

 

大廠布局固態電池 拼速度也要拼安全

 

解決鋰離子電池的能量極限及安全隱憂,業界轉向固態電池的研發,也就是以固態電解質來取代傳統鋰離子電池的液態電解液。早在2012年,蘋果就布局全固態電池專利,擬應用於平板、筆電及穿戴裝置。而全球車廠也積極搶進,例如福斯注資美國新創QuantumScape開發鋰金屬固態電池、BMW與儲能新創Solid Power合作的鋰金屬固態電池預計2025年推出原型、2030推出量產車款、賓士則攜手臺灣輝能及法國電池新創Automotive Cells Company(ACC)研發電池芯及模組。

 

在全固態電池的賽局中,擁有電池材料優勢的日本,將研發與製程緊緊握在自家手中。豐田在2020年便將全固態電池搭載於純電概念車LQ上,接下來的目標是導入油電混合車及豪華車款Lexus;日產於2022年1月宣布與雷諾汽車及三菱汽車合作,由日產負責研發全固態電池、雷諾主導電氣系統,發展正負極材料創新的全固態電池;本田則投資美國電池新創SolidEnergy Systems,力拼鋰金屬固態電池的量產與研發。

 

臺灣的科技製造能量在全球數一數二,在電池產業也有許多指標性廠商,從正負極材料、電解液、到電池模組、電源管理及控制系統,均有布局,可惜受限經濟規模,大多以利基市場為主。進入固態電池時代,供應鏈的全新洗牌,將提供臺廠更好的發展契機,先進技術的研發投入,就是當前最重要的關鍵。

 

固態電池

全球車廠也積極搶進固態電池市場,例如福斯注資美國新創QuantumScape開發全固態電池。(QuantumScape新聞照片)
 

樹脂固態電池 改善電動機車性能

 

為協助臺廠爭取固態電池商機,工研院投入固態電池研發,在材料與設計/製程上均有突破,以樹脂固態電池、鋰金屬固態電池、全固態電池的階段性進程循序漸進展。陳金銘指出,目前工研院已成功開發出以「網狀聚醯胺環氧樹脂」(NAEPE)為電解液的「高能量及高安全樹脂固態電池」,離子導電度及電壓穩定性優異,可增加高能量電池的壽命及安全性,獲得全球百大科技研發獎(R&D 100 Awards)的肯定。此項技術應用於電動機車,電池芯能量密度達320Wh/kg,較市場主流21700鋰離子電池的260Wh/kg性能更優異,不僅安全性提升,行駛里程及營運成本都改善3成以上。

 

下一階段的鋰金屬固態電池,是以鋰取代石墨做為負極材料,能量密度進一步提升,被視為下世代高能量密度電池中最重要的技術選項。陳金銘透露,工研院已開發出350至400Wh/kg的鋰金屬固態電池,同時為了提升安全性,也發展出抑止鋰枝晶的三重保護層技術。目前鋰金屬固態電池在全球各國仍處於初期研發階段,工研院已率先完成專利布局,為產業爭取固態電池下世代的發展優勢。

 

鋰電池獨領風騷數10年,後續還有再生能源從電網、家戶到工商儲能的龐大需求,在固態電池技術預計2030年商業化之前,臺灣產業若能成功整合軟硬體生態系、加速電動車的跨域布局,則很有機會延續在消費電子領域的成功基礎,在電力電子新時代爭得關鍵地位。

 

降階利用、有價金屬回收

鋰電池循環收益環保兩兼顧

 

鋰電池臺灣具備完整的電池供應鏈,若能建立鋰電池回收標準並整合相關廠商,有機會成為亞洲鋰電池循環的示範基地。
 

一部電動車動力電池動輒由數百顆鋰電池組成,但當其蓄電力降至原本的8成時,電池就需要更換?汰役電池去了哪裡?該如何處理才不至於危害環境?鋰電池降階利用與材料回收潛在市場龐大,臺灣具備完整的電池供應鏈,若能建立鋰電池回收標準並整合相關廠商,有機會成為亞洲鋰電池循環的示範基地。

 

受惠電動車市場需求大增,全球鋰電池市場快速成長,未來5到10年,將有大量鋰電池面臨汰役,這些廢棄鋰電池如何回收再利用,建立循環經濟,成為各方投入資源的焦點。研究機構MarketsandMarkets預估,2020年全球鋰電池回收的市場規模約為36億美元,2030年將增至107億美元,年增幅約19.4%。

 

降低環境衝擊 創造經濟價值

 

工研院材料與化工研究所副組長曹申表示,鋰電池回收的主要原因有二:一是降低環境衝擊,鋰電池的毒性雖小於鉛酸電池,但若不妥善處理,仍有汙染環境的疑慮,而金屬礦藏的過度開採也導致生態風險,若能從回收途徑取得,更有利環境永續;二是創造經濟價值:鋰電池中的鈷、錳、鎳、銅等金屬,因電動車熱賣而價格波動劇烈,例如正極材料的碳酸鋰,今年前3個月上漲95%,過去1年更大漲4倍。電動車動力系統被視為下世代的戰略產業,透過鋰電池的循環經濟來掌握原料來源、確保供應穩定,可以說是一兼二顧。

 

歐盟永續電池藍圖 車廠積極配合

 

以歐盟為例,其「電池2030+」計畫便提出永續電池的開發藍圖,並以短、中、長期目標來有序達成。歐盟設定在短程3年內,開發易拆解的電池設計、電池模組分選與再利用、並進行電池數據收集與分析;中程的6年期間則投入鋰電池材料的分選及回復,讓再生粉體的二次利用效率更高;長程的10年目標是建立從礦業、電池材料、精煉廠、回收廠到電池芯/模組/系統廠商的上中下游完整循環體系。

 

在歐盟的政策鼓勵下,歐洲各國的鋰電池製造商也積極以跨界合作,啟動大規模的電池回收計畫。例如瑞典電池廠Northvolt提出的Revolt計畫,與挪威鋁生產商NorskHydro合資建立電池回收中心,取得鈷、鋁、鎳等材料;豐田汽車與Umicore合作,在歐洲的電池回收率已達9成以上;福斯汽車也成立鋰電池回收示範場域,提煉電池中的有價金屬。

 

美國鋰電池回收 Redwood獨領風騷

 

在美國,由能源部成立的ReCell Center是專責的鋰電池回收技術研發中心,目標是發展具有國際競爭力的回收產業、降低對進口原物料的依賴、同時將電池成本降至80美元/kWh。美國民間的電池回收廠,則以特斯拉前技術長史特勞貝(J. B. Straubel)於2017年創立的Redwood Materials執業界牛耳,已成功打造電池回收、材料提煉、供應再利用的封閉式循環。

 

Redwood與松下、福特、亞馬遜等多家知名電池廠、車廠及車隊合作,回收廢電池進行分解,不僅可提煉出鎳、鋰、鈷、銅等成份,今年初更宣布,將進一步從廢電池中提取正極銅箔,直接供應特斯拉的電池製造夥伴松下使用,以減少對亞洲銅箔的依賴,廠址就設在特斯拉內華達超級電池工廠Gigafactory 1附近。

 

日本經濟產業省於2020年成立「車用電池再利用工作小組」,除了回收原料,也研發如何掌握電池殘存性能的方法、並建立汰役電池降階利用的流程。日本環境省也鼓勵業界整合,促使回收廠及汽車品牌投入電池循環再利用,例如日本回收公司啟愛社便將汰役車用鋰電池與太陽能電池模組整合,打造出全新的平價儲能系統。

 

中國大陸也在政策鼓勵下,啟動電池降階利用及原料再生的工作。根據中國大陸《新能源產業發展規劃》,2021至2030年中國大陸汰役車用動力電池的總量將達708GWh,足以供應全中國大陸所有5G基地台的備用電源需求;通信基礎建設商中國鐵塔公司,便已在數10萬個基地台使用降階鋰電池。

 

工研院材化所研究員林欣蓉指出,目前鋰電池的循環方式有三大類,一是降階利用,將汰役電池重新整合,用於儲能裝置或低速電動車;二是回收金屬材料,將完全失能的電池進行分解;三是廢棄掩埋,但此法既不環保也欠缺經濟效益,是業界極力避免的狀況。

 

降階利用潛力大 建立標準程序是關鍵

 

汰役電池的降階利用,等同賦予電池二次生命。林欣蓉進一步說明,車用電池的效能一旦降至8成,將面臨汰換,但若轉為家戶或工業儲能,壽命仍可達15年以上,應用範圍包括不斷電系統、充電站等。根據國際環保組織綠色和平的《為資源續航-新能源汽車電池循環經濟潛力》研究報告估算,2030年當年度,若全球汰役電池均降階利用,電量達368GWh,可滿足全球定置型儲能的需求。

 

雖然降階利用的潛力驚人,但也有不小的挑戰。林欣蓉指出,首先是目前許多電池的設計過於複雜且不一致,回收後的拆解、分級與重組,十分困難;第二,電池效能資訊不透明,讓有意整合汰役電池的廠商難以精準掌握數據。有鑑於此,鋰電池的降階利用若要成功,就必須建立標準化程序,以降低整合不同電池芯的成本,另更要從源頭的研發階段,打造易拆解的電池結構。未來導入軟體功能,也可擴大降階電池的應用領域如租賃服務、充電站服務等。

 

若電池實在無法降階利用,就進入分解回收這套劇本,分離提煉出電池中的有價的原料。先將電池外殼剝離後進行粉碎,浮選出塑膠原料等較輕的物質,再以磁選將不同金屬材料加以分類,接著進入以溶液、吸附、電解方式萃取的「濕法」或熔煉或焚燒的「火法」階段,最後取得五大類回收產品,包括用於正極或化工觸媒的鈷鎳原料、煉鋼添加劑的碳材原料、銅/鋁再製原料、用於鑄造的鐵合金原料,以及用於塑膠再製品的再生塑膠料,這些都是可以再進入工業製程的有價材料。

 

塑膠原料

將電池外殼剝離後進行粉碎,浮選出塑膠原料等較輕的物質,再以磁選將不同金屬材料加以分類。

 

工研院濕法技術 讓珍貴資源留臺灣

 

臺灣的鋰電池供應鏈堪稱完整,但因獨缺回收循環體系,業者多仰賴材料從國外高價進口。為協助產業解決原料困境,工研院投入鋰電池的循環技術,2020年開始建置小型濕法處理設備,萃取獲得的有價金屬可導入電池或其他產業的再利用。

 

林欣蓉表示,目前國內廠商只能將回收攪碎的再生料簡單區分為黑粉、金屬和塑膠,更有價值的金屬提煉只能送往海外進行,無法將珍貴資源留在臺灣。工研院開發的濕法提純,不僅成本低、空汙少,也可處理多樣性材料,例如提取出的草酸鈷及硫酸鈷、氧化鈷等,可用於油漆原料、馬達的永磁材料、渦輪葉片的合金等。近年因回收成效良好,帶動臺灣鋰電池回收數量明顯增加,2021年回收620噸,較前一年的350噸大增,未來還會呈現倍數成長。

 

「歐盟制定的鋰電池條款,要求在2030年之後,大於2kW的電池必須使用一定比重的回收材料,也讓電池回收產業的前景更被看好。」林欣蓉指出,目前廢棄鋰電池多來自一般消費產品如手機、筆電,難要求強制回收電池,主要是用戶擔心手機和筆電的個人資料外流,寧可閒置家中也不交付回收系統。所幸未來車用或工業電池屬於事業廢棄物,更易追蹤及規範,可望帶動鋰電池回收比率。

 

鋰電池的循環技術

工研院投入鋰電池的循環技術,2020年開始建置小型濕法處理設備,萃取獲得的有價金屬可導入電池或其他產業的再利用。

 

RAIBA技術 顯著改善電池性能

 

在鋰電池降階利用方面,工研院也有相關技術。「RAIBA可動態重組與自我調節之電池陣列系統」克服了以往不同性能汰役電池難以整合的障礙,其關鍵技術在於「線上恆電流開關模組」和「電池陣列重組演算軟體」,將新、舊電池模組整合為一套儲能系統,即使電池模組的殘存性能有所差異,也能有效搭配,延長系統壽命。實測數據顯示,RAIBA可改善系統衰退程度達64%,循環壽命可延長223%,同時穩定度提高、成本降低。目前已與國內外廠商共同打造小型示範場域,開創電池循環與共享的新經濟模式。

 

配合政府的循環經濟計畫,工研院也布局不同階段的鋰電池循環目標,包括近程的AI智慧分選技術與低破壞拆解技術、中程的高效率補鋰再生技術、長程的Design-in易循環材料設計。此外,更致力強化產業鏈結,以電動機車為主要載具,整合國內回收廠、材料廠、系統廠、電池管理商、梯次儲能應用商、綠電營運站等,建立完整的供應鏈體系,打造臺灣獨有的電池循環經濟模式,做亞洲示範平台。

 

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