北美智權股份有限公司

隨著環保意識抬頭、石油蘊藏量日益減少以及依賴石化燃料而加劇地球暖化等問題再度受到重視，近年來以電力取代石化能源逐漸成為時代的趨勢，驅使全球電動車 (Electric vehicle, EV) 與儲能產業的需求逐漸爆發。像電動車這類型的交通工具不但可大幅減少廢氣排放量，也具有降低噪音之優點，顧問公司AlixPartners預估，未來電動車數量將以每年至少1.6％的速度成長；彭博新能源財經對全球新售車輛更是預估，電動車與燃油引擎車之占比，至2040年比例將可望過半[1]。

電動車係以電池為儲能及動力來源並由馬達驅動之車輛。電動車依電力供給方式及所占的比例不同，可分為BEV（純電動車）、HEV（混合動力車）、PHEV（插電式混合動力車）與REEV（增程式電動車）等類型；此外，尚有可由車體自行產生能量的車輛類型如燃料電池車或太陽能電池車等。以全球能源發展趨勢來看，節能減碳是世界各國共同努力的目標，而純電動車則是未來新能源汽車的主流發展方向。

基於近年來電動車產業迅速崛起，進而帶動電動車輛產業鏈上中下游蓬勃發展。電動車輛產業鏈上游分為上游材料及零組件，上游材料包括電池材料、馬達材料、車體材料之供應商；零組件諸如轉子、靜子、矽鋼片、座椅、減速齒輪/板金、線束、車燈、避震器、彈簧、輪胎/輪圈等供應商。中游為零組件/模組總成，包括儀表總成、離合器總成、車架總成、煞車總成、電池芯/模組、電力元件/模組、電動馬達/模組、電源供應器等供應商。下游為電動動力系統、電池管理系統、傳動/煞車系統、充電/換電、車身/車殼/外裝、馬達控制器、發電機/啟動馬達/電動馬達等供應商。整車車廠為電動汽機車之供應商。國內電動車輛產業鏈地圖如圖1所示。

對電動車而言，最重要也最昂貴的零件就是電池，占總成本約四成，電池可說是是電動車的心臟，一點都不為過。談到電池材料，我們必須先了解整個電池的分類。依據電能產生的方式，電池廣義上可分為化學電池、物理電池和生物電池三大類，目前各領域應用最廣泛且已普及商用化的是化學電池，在電動車領域也不例外。化學電池又依據能否藉由充電回復電容量以及產生能量的形式來分類，可分為一次電池、二次電池(或稱蓄電池)及燃料電池三類(圖2)。化學電池是一種能將化學能轉變為電能的裝置，主要包括電解質溶液以及浸入溶液的正負兩個電極。使用時，將導線聯接正負兩個電極，即有電流通過(放電)，因而獲得電能，其反應的原理是使用電化學反應來達到能量的儲存與釋放。當放電到一定的程度後，電能減弱時可經充電復原而再使用者，稱做蓄電池 (二次電池或可充電電池)；而不可充電復原者，稱做一次電池(原電池)。各分類簡述如下：

(1) 一次電池：是指只能使用一次就必須丟棄，無法經由充電回復容量，如一般常見的乾電池(碳鋅電池)、鹼性電池以及水銀電池(汞電池)等。

(2) 二次電池：是指可藉由充電回復蓄電量而可重覆使用，不過仍舊有一定的使用次數限制，例如第一次可以充電到 100%，但是第二次只能充電到 99%，充電的次數愈多則愈無法完全充飽，當充電次數達到某一個程度，就無法使用了，這類型電池包括鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鋅電池、鎳鎘電池、鋰離子電池等，不同的二次電池會有不同的使用壽命。

(3) 燃料電池：燃料電池本身並非蓄電池，它是利用氫和氧作用下的化學能來轉換成電能驅動車輛使用。就環保而言，具有發展前景。不過就當今市場而言，燃料電池汽車很多技術還亟待解決且造價相當高昂，目前仍不普遍，若要商業化，還有許多難關待克服。例如目前可量產出的乘用車的功率過低 (豐田Mirai的功率也僅115千瓦) 且體積非常大，乘用車的空間根本容納不下。

由於一次電池不符環保需求，燃料電池現行技術體積過大、不適用乘用車空間，因此具有可重複充放電的蓄電池 (或稱二次電池) 受到重視，在各領域的需求量逐年增加。常見蓄電池的種類包括鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鋅電池、鎳鎘電池、鋰離子電池等等，其中鋰離子電池除了可重複充放電之外，其兼具有能量密度高、重量輕、高電壓值、壽命長等優勢，成為現今蓄電池的主流，更被廣泛地應用於各種載具，如電動腳踏車、電動汽機車等，以作為主要動力來源。

在技術發展的過程中，汽車業者曾經採用了不同種類的蓄電池，但基於成本和技術上的考量，目前絕大多數蓄電池都已經被市場所淘汰，現在市場上主流的蓄電池主要以鋰離子電池為主，少數用的是鎳氫電池(例如豐田)。電動車已為本世紀最重要的工業產品之一，各大車廠更是看好電動車市場前景，紛紛加速新型電動車開發，鋰離子電池需求大增，成為電動車能源的首要選擇。

鋰離子電池顧名思義是藉由鋰離子(Li＋)的傳遞來儲存或釋放電荷的電池，其充放電運作原理，主要是藉由鋰離子在正負極材料間的遷入與遷出來完成。一般而言，充電時電子 (e–) 充入負極材料端，正極材料端則放出鋰離子(Li＋)，其經由電解液傳輸並穿過隔離膜抵達負極後，進入負極材料內部儲存，這些儲存於負極材料內部的鋰元素就是能量儲存的形式。放電時則是相反的過程，鋰離子(Li＋)由負極材料內部遷出，並透過電解液的傳輸，通過隔離膜後回到正極材料，電子(e–)則流經外部迴路驅動電子產品後，回到正極處與鋰離子(Li＋)結合。

圖3. 鋰離子電池充放電運作原理示意圖[2]

圖片來源：芮嘉瑋繪製

鋰離子電池材料主要的組成包括正極材料、負極材料、隔離膜與電解液等四大材料。一般而言，鋰離子電池正極材料包括鈷酸鋰 (LCO)、三元材料 (NCM)、錳酸鋰 (LMO) 和磷酸鐵鋰 (LFP) 等材料；負極材料包括碳、石墨、中間相碳微球、鋰金屬、鈦酸鋰、矽等材料。隔離膜的組成多是高分子材料，其必須是電子的絕緣體以及離子的導體，以避免正負極材料間互相接觸造成短路。

電池、馬達及電控共稱電動車「三電」系統，為決定電動車性能關鍵要素。其中電池技術是否革新將影響電動車能否普及，儘管鋰離子電池已公認是現行電動車市場的主流電池，但大多數電動車仍有續航力不足300英里、充電需一個多小時、電池容量在十年內損耗近三分之一等缺點；並因使用易燃的液態電解質而構成安全風險。這些都是鋰離子電池首要挑戰和亟需解決的問題，從而鋰離子電池技術研發的下階段目標是開發出能容納更多鋰離子（高容量電極材料），或者能讓鋰離子更快速遷入遷出（快速充放電）的材料，並朝向更安全、續航力強、更長壽、充電速度更快的方向發展。近來市場上開始有使用固態電解質之固態電池的革新技術，甚至威脅到特斯拉遍布全球的超級充電站的競爭優勢，但其製造仍面臨諸多實行上的困難。電池作為電動車的心臟與動力來源，全世界都在觀察這場電動車電池大戰態勢的發展，讓我們拭目以待。

劉光瑩，全球電動車大商機，台灣也吃得到？天下雜誌668期，2019年3月11日。
黃昱叡、黃俊翰、鄭尹瑋、劉全璞，鋰離子電池負極材料，科學發展第564期，2019年12月，頁12。