锂电池发展概况.docx

1、锂电池发展概况锂电池发展概况锂电池从90年代持续的开发以来，已在各类行动装置上有很大的普及率，目前市面所见，可区分为高能量电池与高功率电池两类。高能量电池包含手机与NB等应用，其在台湾发展以NB模块为主要发展重点，模块市占率逐年提升；而高功率电池则有电动手工具、电动自行车与电动汽车等，目前台湾仍在发展阶段。本文亦简略讨论近年来电池安全问题对台湾模块厂的影响。 能量密度v.s电池分类一. 前言 随着电子技术不停的发展，消费性产品在体积上逐渐朝向轻量化迈进，而在多媒体技术提升带动之下，产品能量消耗情形亦逐年提升。储电装置在经历此一演进，从铅蓄电池到镍氢电池，再进化至锂电池，其主要原因在于锂电池具有

2、较高的起始电压。因此相对于其它材料，有较高的能量密度，再加上某结构原理特殊，无记忆效应，使用材料亦较环保，因此锂电池是未来能源储存装置的重要选择。早期锂电池由于化性活泼，制程上较难掌况，因此限制其普及率，但在1992年Sony成功将其量产化后，使得锂电池市占率逐年增加。目前二次电池市场主要销售项目仍以镍镉电池、镍氢电池与锂电池为主，前两者其销售金额变动不大，而锂电池则逐年成长(图一)。 图一20052007年二次电池销售金额 Source：IIT；拓墣产业研究所整理，2008/01 电池发展从干电池经镍氢电池到锂电池以来，逐步朝向轻量与高能量密度迈进。在铅蓄电池(2.1V)出现后，虽然价格与稳

3、定性佳，但在重量与环保上的缺点，因此产生了镍镉电池(镍氢电池)的需求。但镍氢在电压先天上较低的情形下(1.2V)，产品势必因为要串联到工作电压值，而在体积上无法便利化。而锂电池的出现，加上起始电压高(3.23.7V)、能量密度大及同时兼具环保等优点，因此其应用领域持续的扩大(图二)。 (Isabelle注 : 总算在这份报告里看到锂铁的位置了) 图二电池种类与能量密度/起始电压比较表Source：拓墣产业研究所，2008/01 二. 锂电池结构介绍 锂电池在构造上，可分为电池芯(Cell)、电路保护板(Protect IC)与模块边材三部分(图三)，其保护电路板则视不同种类电池设计而决定是否保

4、留。电池电力供应主要来自电池芯部分，而电池芯的串并方式将决定电池的成品规格，以目前常见之电池芯形式18650(3.7V；2,400mAh)而言，电池模块经过电池芯四串联两并联后，可获得14.4V；4,800mAh的电池规格。 图三锂电池拆解图Source：拓墣产业研究所，2008/01 由此可知，电池芯的优劣将关系到电池性能输出的表现。而电池芯的构造可分为正极(positive)、负极(negative)、分隔板(seperator)与金属包覆体(metal can)等(图四)。电池以化学能方式储存电能，利用锂离子在不同位置所产生的高低位能差，进行电池充放电动作。 图四电池芯构造Source：

5、TCL battery；拓墣产业研究所整理，2008/01 三. 锂电池种类介绍 (一) 以电池特性区隔 现行电池普遍常见的负极材料，仍以碳为主体结构；而正极材料则可因材料特性区分为高能量密度与高功率输出两类。高能量密度电池应用领域如数字相机、手机、MP3 Player、NB等多媒体装置，多使用锂高分子与锂钴系列，一般耗电量在20015,000mAh；而高功率输出通常是大型机具例如电动车等，使用锂锰与锂铁磷类型电池芯，依电池设计不同可区分为自行车用与汽车用等两类。 1. 高能量密度电池 高能量包含锂钴(Lithium cobalt)、锂镍钴(Lithium nikcel cobalt)、锂镍钴

6、锰(Lithium nickel cobalt manganese)等材料，应用领域集中在手机、数字像机、NB、携带式储存装置(图五)。锂钴电池为90年代以来，持续发展演进较为成熟的材料，而在能量密度也由120WH/kg逐步提升至180WH/kg。 图五高能量密度储能装置应用Source：拓墣产业研究所，2008/01 2. 高功率电池 高功率电池在过去，受限于较弱电流及无法承受高温环境，因此难以取代镍氢电池，直到锂锰电池(Lithium manganese)与磷酸锂铁(Lithium iron phosphate)相继开发问世，高功率电池应用才开始普及。由于高功率电池特性在于适合大电流放电与

7、热稳定性佳，多应用于电动工具与电动车等机具领域(图六)，但其作业环境较严苛，因此亦有辅助电容的搭配选择。 图六高功率储能装置应用Source：拓墣产业研究所，2008/01 锂锰电池在开发以来，即定位在高功率输出领域，虽然其能量密度约低3成，但仍旧因为其稳定性，而广泛应用在电动手工具里头。而在近两年Dr. John B. Goodenough所开发申请之磷酸锂铁电池问世，其稳定性与寿命皆大幅提升，虽然能量密度较锂钴电池低将近一半，仍被视为未来车用电池广泛应用的一环。 四. 锂电池应用与厂商 在产品总类方面，锂电池在全球销售数量上，以手机电池为大宗。手机电池由于电力需求较低，因此电池内大多仅含单

8、一电池芯，并无多电池芯串并需要；在设计上无需保护电路板，技术门坎亦较低，此类产品制造端大部份在中国生产。而NB则属于多串并类型电池，在制造设计上，需要考虑到电池芯可能因为单一个体故障情形，而导致充电过程中所产生之过电压与过电流，造成操作上之危险，因此需要较多安全上的考虑。 图七20032007年全球锂电池芯需求Source：IIT；拓墣产业研究所整理，2008/01 而以全球电池芯生产市占率而言，目前仍以日本为主；若以出货规模而言，厂商规模依序为Sanyo、Sony、SDI、BYD、LGC等(图八)。 图八20052007年电池芯生产大厂产能一览表Source：IIT；拓墣产业研究所整理，20

9、08/01 (一) 高能量密度电池 电池领域一般仅区分为电池芯，与电池芯组装(pack)两部分。对于台湾而言，台湾目前以NB锂电池后段组装(NB pack)为主要发展市场；依市占而言，大致各公司市占率如下(表一)。 表一台湾NB模块市占率Source：拓墣产业研究所，2008/01 1. 新普科技 以发展NB锂钴电池为主要产品，在获得日系与韩系电池芯厂商支持情形下，使得供货来源稳定，再加上与下游厂商如宏碁等大厂策略合作，因此出货状况亦十分稳定。近年来也陆续与广达、鸿海等集团合作，以确保出货规模，预估2007年可达25%30%(现为全球第一)。该集团近期亦积极布局太阳能市场，以期有更多元的发展。

10、 2. 顺达科技 同样以NB电池为主要产品，但在电池芯使用上同时采用锂钴，与锂高分子等，产品较多元。上游供货以日系厂商为主，下游出货则普遍平均在各美系NB大厂，市占率约8%10%。 3. 加百裕 产品以NB电池为主，同时也有部分在数字机上盒备用电池的生产，但仍以锂估电池芯为主。上游供货包含韩系与日系厂商，而出货以华硕为主要对象，亦同时为策略合作伙伴，目前市占率约8%，而在将来若能开拓更多下游合作厂商，将对于市占率有进一步的成长。 不同于其它产品领域之分工性质，NB电池模块厂在发展过程中，往往因为上游电池芯厂有其模块产线，在提供原料同时，必须顾及自身模块厂利益，所幸在NB市场需求逐年成长，以及台

11、湾自身为NB出货大国，仍有其与电池芯厂谈判空间，因此电池芯制造厂与模块厂处在既竞争又合作的局面。 (二) 高功率输出电池 高功率电池在过去发展以来，由于以运作稳定为期许，目前大多为锂锰电池与磷酸锂铁两类，能量密度约略低于锂钴系列电池30%40%。 1. 能元科技 具备电池芯制造与模块成品整合技术，全球高功率电池市占率约17.5%(全球前三大)，以纯锂锰电池为发展重点。能量密度上约在110140WH/kg左右，该类电池于2005年现市以来，其尖晶石结构安全性佳，有机会逐步取代以镍氢电池为主的电动工具市场。目前以运用在大功率输出之产品为主如电动手工具、电动自行车等，出货下游为Milwaukee与T

12、TI集团，并积极开发电动汽车领域。 (Isabelle注 : 主要生产锂锰电池)2. 必翔电能 必翔电能在获得加拿大材料制造公司Valence授权后(Phosteck?)，便以磷酸锂铁电池为发展重点，能量密度约在90120WH/kg左右(Isabelle注 :近期似乎提升到140WH/Kg)，搭配母公司必翔实业进行电动代步车之电力供应。目前该公司在对于磷酸锂铁电池在串并联时，已可进行个别电池芯控制，对于其电池使用安全性，将有一定的提升。 由于磷酸锂铁在使用寿命与稳定性的优异表现，一场磷酸锂铁材料使用专利正在北美展开，由获得发明人授权之Phostec与Valence/A123集团所上演之国际官司

13、，将影响未来磷酸锂铁在汽车应用上的发展进程。 五. TRI观点 (一) 锂电池成本比重仍以电池芯为主 台湾位居全球计算机生产大国，在可携式产品出货量持续增加情形下，对于电池需求亦逐年增加。以目前应用领域面来说，台湾在NB电池出货量持续增加，原因除了在历经国外NB电池大厂接连回收事件，转单台湾之外，在与下游NB大厂密切合作情形下，也将市场逐渐稳固壮大。然而以产品成本分析来看(图九)，模块厂所占比例有限，因此是否能够更进一步投资电池芯厂，以掌握稳定料源，仍有待观察。 (Isabelle注 :台湾如能顺利量产高容量锂铁粉材. 将可主导全球锂电池市场) 图九NBPC成本分析Source：拓墣产业研究所

14、，2008/01 而随着国际钴价于近几个月持续飙涨，使得电池芯材料的研发改进更加刻不容缓，相信在安全性与电力续航力，将有持续的演进。 (二) 高功率未来趋势备受关注 高功率电池由于市场规模不若NB，因此不论是电动工具亦或是电动自行车，下游市场多集中在欧美地区。目前台湾经济规模有限(Isabelle注 :如果政府政策支持.不需靠国外市场. 锂铁电池就可以在台湾生根了)，投入厂商亦属少数，但瞄准未来环保节能意识抬头，高功率锂电池将由于其高效率与低污染，在未来扮演重要角色。 而在高功率电池中，目前众所瞩目的磷酸锂铁电池，由于其优异的寿命与稳定度，极有机会与已在电动汽车试产阶段的锂锰电池一较高下，其利

15、基性不容忽视。而北美洲相关上游业者正展开一场攸关未来汽车大厂能源布局之跨国官司，值得后续追踪。 (三) 安全问题仍为锂电池普及重点 近年来层出不穷的锂电池安全不断发生问题，不仅在手机电池及NB电池皆有使用安全问题发生。以常见的手机电池为例，使用劣质的电池芯，导致电池寿命快速的老化，再加上质量良苇不齐的充电器，使得手机电池在各种使用状况上，皆易发生问题。另外在NB电池上，以Sony为例，由于电池芯在制程中可能受到杂质污染，一般情况下电池组会断电。然而在某些极为罕见的条件下，这种内部短路会引发电池芯过热和可能的起火爆炸危险，因此进行全面性回收(约影响900万颗NB电池)；而在Dell回收事件中，由于该计算机所使用之电池芯在特定充电模式下，电池芯会产生不稳定情形，因此回收410万颗NB电池。 在诸多安全事件中，可以发现大部分原因皆来自于电池芯单一个体，或是电池芯与充电系统运作过程中等问题，因此责任归属对台湾模块厂较无相关责任，然而在多次电池芯回收事件中，对于模块厂未来供货状况，值得观察。