面对极端气候对环境造成的冲击影响，近年来许多国家陆续加入减碳行列，宣示将达成「2050 净零」，顺应全球能源转型为节能、创能、储能、智能系统整合等策略，国际能源署 (IEA) 预估全球至 2040 年再生能源占比将大幅提升，伴随再生能源电力系统的发展，推估终端消费电力需求成长 60%，同时也使全球电动车与储能产业的需求日益迫切。
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在电动车领域，新能源的关键核心之一就是电池，光电池就占了总成本四成至六成不等，甚至可以说谁掌握了电池科技，就有机会在下一代的电动车市场取得先机。 |
根据 TrendForce 数据显示，2022 年第一季新能源汽车 (包含纯电动车、插电混合式电动车、燃料电池车) 销售总量为 200.4 万辆，年成长 80%。其中纯电动车 (BEV) 的成长力道最强，销量高达 150. 8 万辆。此外，依 IHS Markit 及 PwC Global 推估，2021 年电动车销售量已占整体汽车市场的 17.9%，2022 年电动车市场将进一步成长至 2,090 万辆，整体电动车市场渗透率将进一步提高至 25.2%；预计 2027 年电动车销售量将正式超越传统燃油汽车，这样的趋势也标记着国际各大车厂皆积极布局电动车电池市场。
至于在储能产业，以抽蓄水力的方式进行物理储能虽然还是占大宗，但极度受到环境条件限制，难以再有成长空间；而成长最迅速的储能系统则是电化学储能。电化学储能仰赖多种不同电池技术，分别有其适合的应用场景。
不过目前全球电池技术发展尚未达成共识，根据需求，市场上的技术路线包括：三元锂电池、磷酸铁锂电池、无钴电池、固态电池、钠离子电池以及燃料电池等，各项技术百家争鸣。然而随着近年来新能源汽车的销量不断提升，不但推升锂电池技术大跃进，并大规模应用在电动车产业，更因其制造成本随着电动车市场规模下降。挟带能量密度高的优势，锂电池也是目前在电化学储能应用最多的电池。
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锂电池的架构与材料分析 |
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锂电池全名是锂离子二次电池 (Lithium Ion Secondary Battery)，二次电池表示可重复充放电，也就是充电电池，主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。电池在充电时，带正电的锂离子将电流中的电子移向阳极；放电时，锂离子放出电子产生电能，并通过隔离膜回到阴极。 因此锂电具有能量密度高、体积小、长循环寿命等铅酸电池不具备的优势，而被广泛使用在智能型手机、平板计算机、穿戴式装置、笔记本电脑等小型及薄型化电子设备，还有EV (电动车)、HEV (油电混合车) 的车用电池、蓄电系统等应用。 |
图一 锂电池的基本充放电原理图 |
图二 3D X-ray 剖面观察；3D X-ray 是一种可以进行断层扫描的设备以非破坏式检测电池内部得以观察看到内部的结构状况。 |
图三 3D X-ray 俯视图，用以检查电池内部的焊接、卷筒是否对齐。 |
锂电池的上游材料主要由正极材料、负极材料、电解液和隔离膜构成，其中正极材料是锂电电池的关键材料，占锂电池成本的 30% 至 40%，正极和负极材料合计占比达60%。目前市面上的电动车电池正极材料以磷酸锂铁和三元材料为主。
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正极材料 |
正极材料是锂电池内储存锂离子的地方，材料特性直接影响了电池的能量密度、安全性、寿命等各项关键指标，其中提升锂电池能量密度的关键在于镍金属的比重，所以高镍化是未来锂电池发展必然的趋势。
图四 SEM 观察正极材料结构，并透过 SEM-EDX Mapping 分析元素分布。 |
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负极材料 |
负极材料传统以碳材料为主，未来则以石墨烯、钛酸锂、硅碳复合材料等各路线发展。其中，石墨负极能量密度只有 372 mAh/g，而硅材料的理论能量密度可达 4200 mAh/g。因此在容量方面，硅负极材料有明显的优势，硅基材料另外也结合了碳材料高电导率、稳定性及硅材料高容量等优点。
 图五 利用 XRD 晶体结构分析及鉴定晶粒尺寸 |
 图六 由 SEM 观察负极材料结构 |
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隔离膜 |
电池隔离膜多为具有微孔性结构的材料，材料多以高分子量的聚乙烯和聚丙烯为主，置于电芯内部的正负极之间，主要作用为隔离正负极板，防止电池内部阴阳极短路。在实际应用中，隔离膜种类又包括单层 PP 或 PE 隔膜，双层 PE/PP 复合膜、双层 PP/PP 复合膜、以及 PP/PE/PP 复合隔膜。隔离膜的质量是保证锂电池安全稳定工作的关键材料之一，主要难点在于复合材料、强度、孔径等部分，可以透过 XRD、SEM、FTIR 等设备来分析隔离膜种类，及原料颗粒的均匀度。
图七 利用 SEM 观察隔离膜表面微孔性结构 |
图八 FT-IR 光谱所对应的官能基与数据库比对为聚乙烯 (PE) 的光谱 |
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电解液 |
电解液是电池内正负极间传导的液体介质，同样也是影响锂电池性能的重要角色。随着锂电池在前端应用的趋势持续推进，可预期在未来几年内，电解液也将因应新能源市场需求销量，进一步持续推升发展。
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善用检测分析 加速锂电池研发进程 |
锂离子电池是电动车、储能电池最常用的电池种类之一，受到疫情的影响加上俄乌战争冲击全球能源市场，使锂离子电池用于电动车储能的需求屡创新高，开发电池技术也日新月异，各研究技术路线着重在降低电池成本、高循环寿命、充放电效率、及高安全等性能，因此电池的正极材料、负极材料、电解液、隔离膜四大关键角色决定电池结构质量。
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