試產、量產消息一波波，固態電池或許在 2021 2022 年迎來元年
2018 年底到 2019 年至今，固態電池行業陸續出現不少積極消息，有人因此開始提出，2019 年可能是固態電池的元年。
比如國內由中國科學院院士南策文團隊投資創辦的清陶能源，去年底表示啟動首條固態電池生產線，產能規模為 100MWh，目前可以日產 1 萬顆電芯，主要應用在特種安全領域；另一家獲軟銀中國資本投資的輝能，在 2013 年量產小容量固態電池後，在今年啟動擴產，新廠規劃產能為 1GWh；在日本，包括 FDK、TDK 宣布完成全固態電池的產品開發，不久前日立造船（Hitachi Zosen）宣布將在大坂築港工廠生產全固態電池。
過去幾年，固態電池行業較多是募資信息，初創公司又獲得了哪些汽車廠或科技巨頭的投資，而近期這一波的信息開始聚焦在試產、量產、甚至是擴產，顯示固態電池行業正踏入另一個階段。這也是元年提法的由來。
但電池行業人士分析，預期到了 2021～2022 年左右固態電池才有望迎來真正的元年。
圖|清陶能源去年底表示啟動首條固態電池生產線（來源：清陶能源）
材料屬性不同，各有其量產挑戰
固態電池是新一代的電池技術，優點在於安全性高：電池沒有漏液問題，損壞、被穿刺時不會產生爆炸或著火；高能量密度：業界認為，固態電池的密度和結構可以讓更多帶電離子聚集在一端，傳導更大的電流與提升電池容量，使重量能量密度（Wh/kg）能提升到 400Wh/kg 以上；輕薄以及可撓曲性的潛力：使用電解液的傳統鋰電池，必須在陰極和陽級之間加入隔膜來防止短路，一般來說隔膜的厚度約 20～30 微米，固態電池不需隔膜，厚度比傳統電池輕薄許多，可讓電子產品或汽車在外觀設計或空間利用上達到更大的效益。
圖|TDK CeraCharge 固態電池，使用固體陶瓷電解質代替液體電解質（來源：TDK）
固態電池幾種電解質材料包括固態聚合物、硫化物（Sulfide）、氧化物（Oxide）、薄膜（Thin Film）等，以評估電池好壞三大要素：穩定性（體現出來包括安全性、充放電能力等）、量產性、導電性來看，薄膜的穩定性和導電性非常好，但量產難度高，使用半導體濺鍍式製程，在真空環境下運用化學氣相沉積法或物理氣相沉積法等鍍膜製程方法， 成本偏高，如果要做到像手機、IT 應用的話，需要層層堆疊至少 100 片薄膜。戴森、蘋果各自收購的固態電池公司 Sakti3 和 Infinite Power Solutions 皆以此類技術為主，但行業內傳出戴森已放棄，目前發展前景不明。
固態聚合物方面，很多特性跟液態電池相近，幾乎可以直接套用現有液態電池的製程和設備，故量產性高，但穩定性、導電性較差，整個模組做好到車子上，電池體積能量密度大約只有 100～140 Wh/L（瓦時/升）。加上高溫的穩定性不佳，可運作的溫度範圍為 60～80 攝氏度，所以需要搭配使用加熱器，將溫度提高到 60 度，如此就得額外增加一個熱管理機制及高壓系統，並影響體積利用率。
像博世（Bosch）收購的 Seeo 就是固態聚合物技術，但 Bosch 買下 Seeo 一年半後就宣告放棄，電池行業人士向 DeepTech 透露，先前博世求售 Seeo，積極尋找買家接手，不少電池公司都收到了收購意願詢問信。
因此，隨著近幾年來行業的變化，固態電池目前有兩大主要陣營，分別是硫化物：豐田、松下、三星、寧德時代等，其導電度非常好，能量密度較佳，但生產困難，由於硫材料非常怕水氣，水氣引起化學反應就變成硫化氫，除了危險性高之外，在製造過程需完全在乾燥室中，成本較高，由於製造挑戰多，目前處於實驗室階段，該類技術領頭羊的豐田則對外表示，目標在 2020 年將自研多年的固態電池商業化。
另一個則是氧化物：如輝能、清陶能源、北京衛藍新能源、索尼。其優點在於穩定性佳，缺點是導電性較差，另外在生產時，氧化物電解質彎曲很容易脆裂，不過已經有一些業者克服量產問題，比如輝能通過在電解質、正負極里加入陶瓷相關技術，除克服導電性、脆裂問題，電池可彎曲，且實現了卷式生產。
大規模商業應用可能在 2021～2022 年
儘管不同電解質材料有其挑戰，如前所述，近來固態電池行業有越來越多業者釋出開發完成、進入量產的階段，不過，距離所謂的元年仍有一段差距，因為電池容量很小，商業應用很小量。
像是日本 FDK 宣布完成開發固態電池，其容量大概是 140μAh（微安時），以現行歐洲電動車大多數為 80 度電來計算，是 22857Ah（安時），也就是說，一台車需要的電池，跟 FDK 所做出來電池容量大小差了 一億多倍。另一家 TDK 開發的指尖大小的全陶瓷固態電池已進入試產，容量僅為 100μAh。
圖|FDK 的固態電池去年底開始樣品出貨（來源：FDK）
剛獲得今年愛迪生髮明獎（Edison Awards）金牌的輝能科技創始人楊思枏，在接受 DeepTech 專訪時就直言：「日商的策略看起來偏向是補償被動元件上一些陶瓷電容不足的地方，不完全是要替代現行電池」。不過，這是行業發展必經的過程，大家都是先從小的東西開始做，固態電池開始有更多人進來，有不同的應用，理解、搜尋市場。
他進一步指出，不論是用於 IoT 裝置，或是像日立造船的固態電池用於航空航天領域，現在的量還是很小，其實講元年不太有意義，價格必須合理，出貨量才會跨過一個量級。一個產業要能成形，至少得達到一年 10 億美元的產值才行，如果基於這個商業邏輯來思考，2021、2022 年就有機會實現。
第一個原因是用於電動車的固態電池屆時將開始出貨，首先，豐田多次公開表示，將在 2020 年上半年推出全固態電池，然後於 2022 年開始銷售搭載固態電池的全新電動車。另外，輝能也已經與國內一家國企汽車公司敲定合作，將在 2021 年開始出貨電動車固態電池。
而在今年 1 月中國電動汽車百人會上，天際汽車董事長張海亮也表示，預計到 2021 年，天際的固態電池電芯的能量密度將達到 300Wh/kg 以上，電池模組（pack）達到 220Wh/kg。所以，綜觀多家車廠的日程表來看，2021～2022 年將會陸續見到由固態電池驅動的電動車問世。
除了電動車是推動固態電池發展的主要驅動力之外，工業應用的電池需求其實也被看好，像是油田相關設備，必須在很低溫或很高溫的環境下運作，要求電池內阻不受影響，固態電池就成了一個好選擇。
圖|輝能科技創始人楊思枏（來源：Deeptech）
固態電池與三元電池的能量密度競賽
另一個固態電池有望在 2021、2022 年迎來元年的原因是，「屆時，電池能量密度可能跟三元電池出現黃金交叉」。
楊思枏以豐田公開放出的固態電池發展進度表（roadmap）以及特斯拉現有的資訊來估算，豐田預計在 2022 年量產固態電池，其第一代架構技術電池芯為 450 Wh/L，目前 Tesla 電池芯為 715 Wh/L，但是，消費者要的不是單看電池芯，而是整個模組，也就是成組效率。
特斯拉的電池模組成組效率只有 32.5％，固態電池的成組效率基本上比三元電池來得高，豐田的技術基本上可以達到 75%。因此，特斯拉是 715 x 32.5%，大約是 230～240 Wh/L；Toyota 為 450 × 75%，大概 330～340 Wh/L，贏過了特斯拉。
當然，特斯拉不會在未來幾年不思進取，液態電池要解決這個問題，就是持續提升電池芯的能量密度。但是，新的問題也隨之而來：高利用率的材料供應鏈是否成熟？目前鋰電池行業往鎳錳鈷（NMC）配比為 811 的高鎳三元電池邁進，供應鏈尚未非常成熟，所以更高的能量密度的正極材料、負極材料的供應、成本都是未知數。另一個問題就是安全性問題。
「因此，三元電池到最後很有可能就升不上來了，發展開始平緩，固態電解質就會開始超過它。所以，2021～2022 年很有可能出現一個所謂的黃金交叉」。
一旦當固態電池持續超越三元電池，「當年三元系吃掉磷酸鐵鋰的概念還會再發生一次，大概那個時間點我在猜想應該在2022～ 2025 年，」楊思枏預測。
但是，他也強調，「前提是固態電池必須突破量產問題」，現在行業要走到證明固態電池能夠大批量產的階段。
打入軟銀周邊及半導體檢測機台
在現階段的固態電池領域中，能真正做到量產的還不多，輝能主要鎖定氧化物電解質固態電池，其研發的陶瓷固態電池已經量產，並在市場上被使用，像是軟銀旗下的 SoftBank SELECTION 周邊產品品牌，就主打採用固態鋰陶瓷電池的「Power Leaf」產品，像是充電皮套、行李掛牌樣式的移動電池等，甚至半導體製程重要的檢測設備，因必須在非常低的氣壓跟高溫下運作的特殊性，也使用了輝能的固態電池。
儘管如此，這些應用仍屬於很小量。
圖|軟銀 Power Leaf 產品，像是充電皮套、行李掛牌樣式的移動電池，採用輝能的固態鋰陶瓷電池（來源：SoftBank）
楊思枏指出，輝能已經脫離實驗室技術到達工藝選取，並且進入到大量生產的前端階段，但他也直言，固態電池還有幾個問題需要克服，回到氧化物電解質的原始點來看，第一，它的離子導通能力大約只有硫化物跟液態電解質的 1/10 ～ 1/20 ，想克服這個問題考驗各家電池公司的設計實力。
第二，氧化物材料的有效接觸面積小，「固態電解質最重要的瓶頸就在界面，不管是化學界面還是物理界面」，氧化物的化學界面穩定度高，但物理界面不容易形成，所以發展氧化物的業者，必須解決物理接觸面積不足的問題。
另外，硫化物本身的界面也相對複雜，如果形成一個不好的界面的話，除了會使離子導動度下降只剩百分之一、甚至是千分之一之外，原子還會遷移、穿透、然後毒化活性材料、固態電解質，造成很不好的影響。
第三，氧化物另一個挑戰是在做壓合、擠壓等集成過程中很容易斷裂，硫化物則比較容易壓成錠。
第四，有些人覺得固態電池的快充會有問題，但楊思枏認為，如果界面阻抗部分能夠被解決的話，那麼區域性的極化問題反而就不存在了，以輝能的產品來說，快充已經達到 12 分鐘可充滿 70％的電量。
正因為固態電池的技術困難，光靠一家或兩三家公司無法發展成一個產業鏈，因此，楊思枏的策略是通過技術移轉的方式建立生態圈，包括技術授權，銷售核心材料、設備等給有需求的客戶，像是汽車公司、儲能服務商、工業設備商、傳統的電池公司等。由於陸續簽下車廠、工業應用合作案，輝能正在擴建新廠，預計今年底完成後，固態電池的年產能將達 1.5GWh。
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