【產業動態】固態電池大解析！預估 2030 年固態電池市場規模 400 億美元，年複合成長率高達 180%？
圖/shutterstock
豐田目標 2027 年量產全固態電池電動車，激勵股價上揚
2023 年 6 月，日本汽車業龍頭豐田汽車 (TM) 聲稱目前技術已有突破，能克服固態電池壽命過短問題，並宣布計畫在 2027 年將固態電池技術商業化。
全固態電池可望實現電池尺寸縮小、降低重量、縮短充電時間及增加續航距離，最快目標於 2027 年量產固態電池電動車。消息一出，引發市場對固態電池的期待，也帶動豐田 ( Toyota ) 股價飆漲，6 ~ 8 月上漲幅度逾 25%。
固態電池解決傳統鋰電池安全性及尺寸問題
傳統鋰電池 ( Li-ion Battery ) 是由正極、負極、隔離膜、電解液組成，其中電解液 ( 液體或凝膠 ) 是讓電流可以在電池內部以離子的形式傳導 ( 充電和放電 )。
然而，傳統鋰電池的電解液會有漏液問題和含有易燃有機溶液等安全上的問題，在高溫時會熱失控，在低溫容易凝結，降低續航力，所以鋰電池需要配合安裝(1)防溫度升高、(2)防撞擊、(3)防穿刺等安全裝置結構，也因此所需空間較大。
固態電池 ( Solid-State Battery ) 顧名思義其所有材料都是以固態形式存在，像是鋰電池中的電解液與隔離膜等結構，被固態電解質取而代之。固態電解質具有不可燃、無腐蝕、不揮發、不存在漏液問題等特性，使安全成為固態電池的重要優勢。值得一提的是，固態電池的密度和結構可以讓更多帶電離子聚集在一端，可以增加單位面積的能量密度，傳導更大的電流與提升電池容量。
由於固態電池沒有爆炸或火災的風險，因此不需要有安全結構裝置，從而節省更多空間。對電動車來說，減少電池模組整體體積重量可以讓電池的配置設計更加靈活，再結合上述能量密度高、安全性佳等優勢，使固態電池成為取代傳統鋰電池市場的新星。
註：預估豐田全固態電池電動車充電時間減少 2/3 至 10 分鐘，續航距離為現行EV車款「bZ4X」的 2.4 倍，達 1,200 公里。
固態電解質有硫化物、氧化物及聚合物等三大技術發展路線
目前固態電解質技術發展主要分成三大路線 — 硫化物、氧化物及聚合物：
技術路線1：硫化物
固態電解質離子導電率最高，但穩定性差，接觸空氣容易產生有毒性的硫化氫，生產設備及生產環境的特殊需求也將使成本高昂，不利量產。
硫化物相關業者
日本國立材料研究所 ( NIMS ) 與豐田合作開發硫化物固態電解質多年，為行業翹楚。此外，鋰電池巨頭寧德時代亦投入硫化物固態電池之開發。
- 美國新創公司 Solid Power 獲得福特 ( F ) 及寶馬集團 ( BMW ) 投資負責固態電池生產，目前僅在測試階段。
技術路線2：氧化物
氧化物電解質最大優點是安全、穩定，但研發難度最高，且活性不如硫化物，鋰離子游動速度比硫化物更慢，導致充放電速度差。
氧化物相關業者
蜂巢能源多年投入石榴石型氧化物固態電解質開發，為氧化物固態電解質產業化之龍頭。
- 美國 QuantumScape 獲得比爾蓋茲及福斯 ( Volkswagen ) 投資，預計於 2025 年量產固態電池電動車。
- 台灣輝能科技 ( ProLogium ) 為台灣最早進入固態電池的開發公司之一，取得賓士集團 ( Mercedes-Benz ) 投資。2023 年公司宣布將於法國敦克爾克投資 52 億歐元 ( 約新台幣 1,750 億元 ) 建廠，此將是輝能海外首座固態電池超級工廠，預計於 2026 年底生產。
技術路線3：聚合物
聚合物電解質是由聚合物基體和鋰鹽組成，高溫狀態下鋰離子游離速度快，且生產成本低，製造工藝與傳統鋰電池最為相近，因此最先進行試驗。惟聚合物是有機物，電化學性能不好，導致能量密度無法提升，須保持在加熱狀態才能保有較佳效能，與現今走向碳中和的理念違背，故這條技術路線離商業化有一定距離。
聚合物相關業者
歐洲公司 Blue Solution 最先於歐洲市場量產，並用於電動大巴，但因技術、量產問題，離商業化仍有距離。
- 衛藍能源投入原位固態化聚合物電解質多年，為聚合物固態電解質開發之代表。
除了上述車廠及其上游業者之外，其他同樣較為重要的廠商發展動態還包括：
- 豐田除了和上面提到過的 NIMS 合作研發固態電池，也與松下 Panasonic 一同開發，該電池計畫在 2025 年用於混合動力車上。
- 日產 ( Nissan ) 計畫在 2025 年以前建立一個生產固態電池的工廠，2026 年完成最初應用工程，最快於 2028 年生產固態電池電動車。
- 中國車廠則布局氧化物，且已量產半固態電池 ( 傳統鋰電池到全固態電池的過渡階段 )，蔚來汽車、東風汽車等車廠最快預計今年會推出半固態電池電動車。惟半固態電池能量密度約 300 ~ 400 Wh/kg，與全固態電池可達 500 Wh/kg 仍有明顯差距，因此預期無法成為主流。
- 美國電動車龍頭特斯拉 (TSLA) 傳出另尋鋰電池以外的解決方案，其鋰電池合作夥伴寧德時代正朝向半固態及固態電池發展，預計 2030 年實現商業化量產。
固態電池 2022 ~ 2030 年 CAGR 高達 180%，市場規模達 400 億美元
展望未來，隨著氣候變遷與淨零碳排的大勢所趨，再生能源與電動車發展備受全球各國所重視，未來固態電池有機會成為儲能系統及電動車領域的新寵，預計未來 5 到 10 年內固態電池勢必將走向商業市場。
根據韓國研究機構 SNE Research 報告預估，全球鋰電池於 2030 年將佔電池市場 95% 以上市占率，鋰電池中的全固態電池滲透率預估為 4%。2022 年全球固態電池市場規模僅 2,750 萬美元 ( 開發及試產階段 )，但在各家車廠及相關業者爭相投資之下，預估至 2030 年將達到 400 億美元，年複合成長率 ( CAGR ) 高達 180%。
固態電池的供應鏈因正負極的原料與傳統液態電池無異，真正差異點在固態電解質與生產設備，因此為了獲得贏者全拿的市場地位，各家固態電池業者紛紛建立專利壁壘，更重要的是扶植其相關原物料供應商，或是開發專用生產設備的業者，全固態電池商業化的關鍵就在於使用壽命及固態電解質製造技術研發的成本。
車廠方面，電動車龍頭特斯拉及傳統汽車龍頭豐田絕對是電池戰矚目的焦點，但特斯拉目前在固態電池方面消息不多，豐田則是規畫在 2025 年將固態電池應用到油電混合車，並於 2027 年推出全固態電池電動車。
整體而言，雖然固態電池到真正商業化仍有一段距離，但豐田大舉切入此領域可能會攪動未來電動車市場的一池春水。
原始文章：【產業動態】固態電池大解析！預估 2030 年固態電池市場規模 400 億美元，年複合成長率高達 180%？
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