2022年11月1日 星期二

電池研究

資料來源:MURATA Manufacturing(村田製作所)

20240319 官民合作進軍綠能產業:大立光投資4.5億與工研院成立萬溢能源
鋰電池是3C移動電子產品、電動車輛、以及儲能系統的核心關鍵,市場需要充電速度更快、壽命更長的電池,目前先進大廠、研究機構都致力於開發創新電池材料。因此,大立光投資4.5億元,與工研院團隊合作成立子公司萬溢能源,要開發全球最快充電的鋰電池負極材料,5分鐘即可充飽電。預計2026年產能即可到600噸,搶攻全球電動車及儲能市場千億美元商機。

根據麥肯錫顧問市場調查,預估2030年全球鋰電池市場產值將高達4500億美元。經濟部產業技術司近5年已投入10億元科研經費,鎖定快充電池、固態電池、綠色低碳製程等三領域研發,協助業者商業利用。

大立光過去在材料研發已有基礎,此次成立萬溢能源,主要看準高容量動力電池市場。有別於傳統鋰電池石墨材料(負極材料)充電需2至4小時,萬溢主要的核心技術為鈮酸鈦(TNO)負極材料,可讓鋰電池5分鐘就充飽電,且壽命高達20年,這可以滿足快充巴士、儲能系統、混合動力車、堆高機及無人機等市場的需求。

大立光總經理黃有執解釋,主要是看好鈮酸鈦負極材料快速充放電的特性,二方面則是公司總裁林耀英本身也是學化工出身。黃有執預計今年就可建立鈮酸鈦材料試產線,初期產能目標24噸,2026年要放大到600噸,供貨給國內外各大電芯廠使用,提高市場滲透率[5]。

台灣政府終於正視產業的根本,能源,沒有能源什麼都不用談,電池做的好,台灣的終端產品才有未來,手機、筆電、電動車等產業才能有效發展。臺灣的電池產業應該要垂直上下游,效仿台積電,不求快,但求穩健進步。

20230704 鋰電池的研發歷史
鋰離子電池(鋰電池)之優勢為輕量化高能量密度,因為鋰是最輕的金屬,且又為元素週期表上第一族之元素,有著相當高的電化學反應活性。相較於傳統的鉛酸及鎳氫電池,以鋰離子及電子作為電池內部導通的電池,具有顯著的優勢。因此,廣泛地使用於行動裝置、電動車、及儲能系統。

第一個鋰電池雛型是由Whittingham於1970年所提出,當時是以鋰金屬作為負極材料,而以金屬硫化物作為正極材料。由於鋰金屬的活性,電池相當容易燃燒爆炸。

在2019年,瑞典皇家科學院宣布該年度諾貝爾化學獎,表彰3位傑出科學家在鋰電池研究的安全化提升貢獻,而Goodenough與來自英國的Stanley Whittingham以及日本的吉野彰,共同獲得此殊榮。Goodenough改用金屬氧化物作正極材料,添加鈷、錳等金屬,一方面改善電池安全性,同時也大幅地增加電池能量密度,並建立目前最廣泛使用正極三元鎳鈷錳(NCM)材料的原型。日本學者吉野彰的貢獻在於,使用石墨碳作為負極材料,取代鋰金屬,更進一步改善電池安全性,並增加電池充放電的壽命[4]。

一個新技術的成立往往需要無數的研發人員一起齊心共力,如今華人再創造新技術時,是否有任何之處值得稱讚呢?

20221212 鴻海的電動車之電池佈局;美國製造再度吸星全球製造業。
對電動車而言,電池相當重要。鴻海已嗅得此商機並開始展開佈署,正透過其代工、組裝、轉投資、生產等優勢,打造電動車之產業鏈。目前正以透過碩禾旗下「芯和能源」的電池進行「電池芯」開發[2][3]。鴻海的布局策略可看到:台灣研發、大陸生產、美國生產組裝製造等布局;然而,此布局策略呼應美國拜登政府所強調之美國製造。有趣的是,多年前製造由美國移出而前往日本、台韓、中國;但是,如今風水輪流轉卻又移回美國。美國人的算盤,似乎有點反覆。歸根究柢就是美國政府為兩大黨民主、共和所輪流執政,沒有一至的發展路線所導致的。何奈,美國仍為全球的政、經、軍強權霸主,緊緊的掌握各國重要企業,全球重要企業公司都需聽從美國安排。導致一句美國製造,全球企業紛紛響應。從鴻海到台積電皆可推曉一二。

然而,這對台灣有何好處呢?台灣能夠須能強化全球整合、風險布局等能力。此外,如何做好全球人才管理可能是台灣要真正需要省思的?台積電、鴻海無疑已經先走在台灣的前端,正試著摸索可行之路。

20221101 誰掌握電池,誰就擁有行動的能力;固態電池韓國三大廠正積極發展!
固態電池與鋰電池(液態電池),兩者可由名稱知道其差異。如今韓國三大廠LGESSamsung SDI、SK On正全力投入固態電池開發[1]。台灣若想投入電動車市場、能源市場,不得不趕快為此有所布局。

否則關鍵元件掌握在他國手上,將來必定受限於人。材料電池是未來能源趨勢之一,如何有效節能、電能擴充性佳、低汙染、可重複使用率高皆是重量考量點之一。固態電池技術雖然已存在多年,不過仍未能大規模量產。

固態電池的優勢是比鋰電池密度更高 ,能量密度將會是現時鋰電池的兩至三倍,而且固態電池解質相較於目前普遍使用的電解液更穩定性,提升了電池的安全性。將會手機與平板電腦都改用固態電池的話將將產品設計可更薄之餘續航力會大大提升,而充電時間會更比現時更短。

Key:
  • 台灣電池現況
    • 大立光投資4.5億與工研院成立萬溢能源
    • 鴻海於美國俄亥俄州附近籌設電池模組產線,就近供應電動車工廠生產
      • 研發基地:
        • 轉投資碩禾擔綱供應關鍵零件電池芯要角。碩禾旗下芯和能源在台灣新竹湖口研發
      • 生產基地:
        • 中國江蘇鹽城,月產能約200至300噸;2023年重慶擴廠,電池芯月產能有望上看2,000噸
      • 組裝基地:
        • 俄州工廠不僅生產電動車,也包括電池包,本來就幫特斯拉BMW做電池包,「電動車組裝廠在哪裡,電池包廠就要在哪裡」必定策略
      • 鴻海:台灣研發、大陸生產、美國組裝製造
  • 鋰電池(液態電池)
    • 在電池市場中的佔比最高,擁有輕量化、能量密度高、效能好等優點
    • 多用於智慧型手機、電動車、儲能系統等產業
    • 鋰電池中的液體電解質雖能傳導電子,但如果受外部壓力、溫度等影響,就可能會有起火風險,如近來電動車發生的火災案例,起火原因大多都與電池中的液體電解質有關
    • 金屬氧化物作正極材料,添加鈷、錳等金屬,一方面改善電池安全性,同時也大幅地增加電池能量密度,並建立目前最廣泛使用正極三元鎳鈷錳(NCM)材料的原型
    • 使用石墨碳作為負極材料,取代鋰金屬,更進一步改善電池安全性,並增加電池充放電的壽命
      • 有別於傳統鋰電池石墨材料(負極材料)充電需2至4小時萬溢主要的核心技術為鈮酸鈦(TNO)負極材料,可讓鋰電池5分鐘就充飽電,且壽命高達20年。
  • 固態電池
    • 固態電池的優勢是比鋰電池密度更高 ,能量密度將會是現時鋰電池的兩至三倍
    • 採取固態電解質,不僅克服液態電解質漏液風險,且固態材料擁有能量密度高、穩定等優點,較耐衝擊、不易起火,加上固體電解質可從物理上阻斷正極、負極,因此固態電池不須使用隔離膜,結構可以比既有電池更簡單
    • 固態電池須克服鋰離子在固態介質內游動較慢的問題,以及固態電解質材料成本、研發難度較高
    • 新一代電池技術的研究、開發都需要很長一段時間,預計將迎合2030年電動車正式普及的時機,推出固態電池等新一代電池
    • 固態電池商用化時間約落在2025~2030年
    • 高分子系固態電池
      • 高分子薄膜可以取代隔離膜,且用剪刀剪斷電池也能正常運轉,安全性相當高
    • 硫化物系固態電池
      • 能量密度可達900Wh,充放電次數可超過500次
Reference:
[5][20240313]大立光攜工研院 推快充鋰電池材料
https://www.chinatimes.com/newspapers/20240313000503-260110?utm_source=iii_news&utm_medium=rss&chdtv
[4][20230704]紀念鋰離子電池奠基者John Goodenough
[3][20221212]鴻海攻電池 串聯台美中
https://udn.com/news/story/7240/6831699
圖/經濟日報提供

鴻海集團規劃於美國俄亥俄州工廠附近籌設電池模組產線,就近供應電動車工廠生產,轉投資碩禾擔綱供應關鍵零件電池芯要角。碩禾旗下芯和能源在台灣研發報捷,已開始送樣,預計明年(2023年)在大陸重慶擴產,再送往美國給鴻海,透過台、美、中大串聯,完成鴻海電動車供應鏈最後一塊拼圖。

碩禾高層透露,芯和能源目前研發中心位於新竹湖口,生產基地則在大陸江蘇鹽城,月產能約200至300噸。因應鴻海未來龐大電動車關鍵零組件需求,芯和能源日前已完成增資,並將募集的資金用於增設重慶廠。

芯和能源重慶廠預計明年底完工,後年開始投產,屆時電池芯月產能有望上看2,000噸,較現有產能激增十倍。碩禾表示,電動車是未來市場趨勢,芯和能源深耕電池芯領域多年,目前已開花結果,該公司前三季已達損益兩平,估計第4季小幅獲利,明年期盼能顯著貢獻母公司獲利。

鴻海副總暨產品長蕭才祐表示,鴻海俄州工廠不僅生產電動車,也包括電池包,電池包已經在俄州工廠有生產線,電池芯可從別的地方做好再運過來。由於鴻海集團本來就幫特斯拉BMW電池包,因此,電池包技術對我們來說不難,由於電池包既大又重,「電動車組裝廠在哪裡,電池包廠就要在哪裡」是必定的策略。

目前規劃在美國設立20GW(10億瓦)的產能,不可能組裝電動車,卻不搭配電池,因此電池包就是組裝廠要自己做。

蕭才祐指出,集團電池芯目前正處於送樣階段,希望2024年量產,相關進程符合碩禾高層透露的訊息。

蕭才祐強調,電池化學主要製造過程是先把化學調好,後端製程很像半導體,然後拉出一片一片(電池芯),再一層一層疊上去,這個過程若是可以穩定,接下來就可複製到美國。

[2][20221212]鴻海集團布局電池關鍵材料 站穩腳步
https://udn.com/news/story/7240/6831704

碩禾以太陽能導電漿料起家,2010年至2015年曾叱吒風雲,技術與成本優勢讓杜邦、賀利氏等國際大廠同業都吃足苦頭,成為台灣之光,股價更一度攻上905元天價。隨著太陽能市況反轉,碩禾本業轉淡,如今透過轉投資芯和能源十多年來的努力,重新在電動車關鍵電池芯材料站穩腳步,要再創另一個台灣奇蹟。

碩禾之所以能在電動車電池芯領域再度找到舞台,不僅投資芯和能源掌握電動車上游電池芯關鍵材料,同時也在2018年透過參與負極材料廠榮炭私募,與鴻海、富邦金同時成為榮炭股東,芯和榮炭也會彼此合作與交流,藉此加速開發適用於電動車的電池芯產品,藉由集團資源串聯,能量更大,也更能發揮「1+1大於2」的效果。

碩禾透過轉投資子公司掌握電動車電池材料相關專利與產能,去年成功吸引鴻海集團入股,未來鴻海電動車市場版圖做大後,碩禾也將受惠最大。

[1][20221101]固態電池技術爭霸 三大韓廠各自出招
隨著電動車電池陸續普及,電動車電池安全問題越趨重要,而相對其他電池來說,較耐衝擊且不易起火的「固態電池」,其技術發展、商用化進度備受關注,如南韓三大電池業者都在開發固態電池,盼能搶先拿下技術領先地位。

南韓三大電池業者樂金能源解決方案(LGES)、三星SDI(Samsung SDI)、SK On為確保未來競爭力,正加快開發固態電池的腳步。據韓媒IT Chosun消息,南韓三大電池業者預期,固態電池商用化時間約落在2025~2030年

目前,鋰電池在電池市場中的佔比最高,擁有能量密度高、效能好等優點,多用於智慧型手機、電動車等產業。然而鋰電池中的液體電解質雖能傳導電子,但如果受外部壓力、溫度等影響,就可能會有起火風險,如近來電動車發生的火災案例,起火原因大多都與電池中的液體電解質有關。

相較之下,固態電池就如其名,採取固態電解質,不僅克服液態電解質漏液風險,且固態材料擁有能量密度高、穩定等優點,較耐衝擊、不易起火,加上固體電解質可從物理上阻斷正極、負極,因此固態電池不須使用隔離膜,結構可以比既有電池更簡單。

雖說固態電池技術優點多,亦是許多電池業者青睞的電池技術,但固態電池須克服鋰離子在固態介質內游動較慢的問題,以及固態電解質材料成本研發難度較高,因此也不全是優點。業界相關人士分析,新一代電池技術的研究、開發都需要很長一段時間,預計電池業者將迎合2030年電動車正式普及的時機,推出固態電池等新一代電池。

而LGES日前於綠色商務週(GBW 2022)中發表新一代電池發展藍圖,規劃2026年商用高分子系固態電池、2030年商用硫化物系固態電池。高分子系固態電池的特色是,高分子薄膜可以取代隔離膜,且用剪刀剪斷電池也能正常運轉,安全性相當高;而硫化物系固態電池的能量密度可達900Wh,充放電次數可超過500次。

據韓媒東亞日報消息,LGES為能加快技術發展腳步,積極與各國知名大學合作,除了韓國科學技術院(KAIST)、美國聖地牙哥加利福尼亞大學之外,LGES也攜手德國明斯特大學的電池研究中心、德國國家研究機構亥姆霍茲研究所明斯特分部(Helmholtz-Institute Münster;HI MS),共同營運研究中心。

三星SDI也積極開發固態電池。自2022年3月起,三星SDI於南韓水原SDI研究所建設固態電池試產線,約2,000坪規模。據悉,在南韓3大電池業者中,三星SDI是第一個製造固體電池試產線的公司。此外,三星SDI也是南韓三大電池業者中投入最多研發費用的企業(2,538億韓元),其次依序則是LGES(1,836億韓元)、SK On(477億韓元)。

此外,SK On也為開發固態電池技術尋求外部合作。2022年1月開始,SK On與美國喬治亞理工學院合作,一同開發新一代固態電池。SK On也投資美國固態電池新創業者Solid Power,投資規模約350億韓元。

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