电池技术百百种，锂电池如何称霸赛道？从结构及材料浅谈锂电池的竞争优势！

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，宣示将完成“2050净零”，顺应全球能源转型为节能、创能、储能、智能系统集成等策略，国际能源局（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，推测估计终端消费电力需求增长60%，同时也使全球电动汽车与储能产业的需求日益迫切。

在电动汽车领域，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汽车市场取得先机。根据TrendForce数据显示，2022年第一季新能源汽车（包含纯电动汽车、插电混合式电动汽车、燃料电池车）销售总量为200.4万辆，年增长80%。其中纯电动汽车（BEV）的增长力道最强，销量高达150. 8万辆。此外，依IHS Markit及PwC Global推测估计，2021年电动汽车销售量已占整体汽车市场的17.9%，2022年电动汽车市场将进一步增长至2,090万辆，整体电动汽车市场渗透率将进一步提高至25.2%；预计2027年电动汽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汽车电池市场。

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，难以再有增长空间；而增长最迅速的储能系统则是电化学储能。电化学储能依赖多种不同电池技术，分别有其适合的应用场景。

目前全球电池技术发展尚未完成共识，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，不但推动锂电池技术大跃进，并大规模应用在电动汽车产业，更因其制造成本随着电动汽车市场规模下降。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。

锂电池的架构及材料分析

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手机、平板电脑、穿戴式设备、笔记本等小型及薄型化电子设备，还有EV（电动汽车）、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查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%。目前市面上的电动汽车电池正极材料以磷酸锂铁和三元材料为主。

正极材料是锂电池内存储锂离子的地方，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，并通过SEM-EDX Mapping分析元素分布。

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。

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。隔离膜的品质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，可以通过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。

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，电解液也将应对新能源市场需求销量，进一步推升发展。

善用检测分析，加速锂电池研发进程

锂离子电池是电动汽车、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汽车储能的需求屡创新高。如今开发电池技术日新月异，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、隔离膜等四大关键角色，将决定电池结构品质。

面对环境变迁的浪潮，绿色能源材料俨然成为未来的重点发展趋势之一，并随之带动检测分析需求。以半导体检测大厂闳康科技为例，主要业务就包含了“材料分析”一项，借由最先进且完善的分析仪器设备，可提供 产品开发过程中所需的专业分析检测服务，加速产品开发或验证过程。在未来锂电池的发展进程上，这类扮演“健检师”的企业，也将担任更加不可或缺的角色。