1、新世代電池磷酸鋰鐵電池 近期電池因為具有節能題材，持續受到市場矚目，主要是因為全球暖化嚴重，使得環保意識抬頭，配合油價高漲，世界各國政府及企業紛紛尋找新的替代能源（太陽能電池、燃料電池）或提高二次電池的轉換效率（以鋰離子電池取代鉛酸、鎳氫電池）以達到減少石化燃料的使用，降低二氧化碳的排放，減緩全球暖化的速度。本文所探討的是後者，藉由二次電池轉換效率的提高來達到節能的目的。 長期而言，二次電池已開始發生結構性轉變，鋰離子電池將逐漸取代鉛酸、鎳氫電池，鋰離子電池中又以安全性最佳、具有大電流、循環壽命長的磷酸鋰鐵電池最具發展潛力。 電池簡介 一般所稱的電池可以分為兩種，一種是蓄電電池(battery
2、)，另一種則是發電電池(cell)，兩者皆具有節能的效果。前者如一次電池、二次電池，可以透過轉換效率的提高，達到節能的效用；後者如太陽能電池、燃料電池等，則是藉由使用新的替代性能源發電減少石化燃料的使用來達到節能的目的。本文所要探討的是透過轉換效率的提高來達到節能效果的二次電池，將聚焦在未來最具發展潛力的新一代鋰電池磷酸鋰鐵電池。 一次電池的簡介 蓄電電池可以分為兩種，分別是一次電池及二次電池。一次電池顧名思義，為僅能使用一次的電池。也就是無法透過充電的方式再補充已轉化掉的化學能。一般市面上常見的乾電池（碳鋅電池）、鹼性電池（鹼錳電池）以及水銀電池（汞電池），皆屬此類。不同的電池有不同的應用面
3、，但因為只能單次使用，而且在原料及製程上使用具污染性的汞，對環境以及人體的負荷具有相當大污染性。 二次電池的介紹 二次電池和一次電池一樣是經過化學能轉換成電能，但可藉由充電的方式，將電能重新注入電池，重新轉化成化學能，可再次使用。二次電池因為可充電重複使用，較一次電池更具環保概念，使用已逐漸普及。全球二次電池市場 2005 年市場規模達到 412 億美元，預估 2007 年可成長至 466 億美元，2010 年更可成長至577 億美元，20052010 年的複合成長率 (CAGR)達 7%二次電池未來將以鋰離子電池為發展主軸 市面上常見的二次電池有鉛酸電池、鎳鎘及鎳氫電池、鋰離子電池，預估 2
4、007 年佔比重分別為67.8%、 12.7%、19.5%。目前鉛酸電池主要應用在汽機車及工業設備的蓄電系統。鎳鎘、鎳氫電池主要應用在電動手工具機及油電混合車。鋰離子電池主要應用在可攜式的消費性電子產品。其中因為鉛及鎘對環境及人體均有害，使得鉛酸電池及鎳鎘電池逐漸被鎳氫電池所取代，而鎳氫電池因為轉換效率及具有記憶效應的問題，也逐漸被鋰離子電池所取代，預估 20052010 年三者的複合成長率分別為 3%、14%（鎳氫電池為成長來源）、16%。長期來說，二次電池未來將以鋰離子電池為發展主軸。預估 2010 年鉛酸電池佔二次電池比重將降至59%，鎳鎘及鎳氫電池、鋰離子電池佔比重分別提高為 16%、
5、25%。 鋰離子電池未來將以磷酸鋰鐵最有發展潛力 鋰離子電池目前主要應用在可攜式的消費性電子產品部份，以手機、NB、DSC 等為主，鋰離子電池依正極材料的不同又可以區分成鋰鈷、鋰錳、鋰鎳鈷、磷酸鋰鐵電池等，其中以鋰鈷電池為主流，佔比重達九成以上（一般所稱的鋰電池即是指鋰鈷電池）。但鋰鈷電池因為具有安全性問題及缺貨問題，近來各電池大廠已開始尋找新替代性的正極材料，如鋰錳電池，但鋰錳、鋰鎳鈷電池相較於磷酸鋰鐵電池仍具有安全性問題，故未來鋰電池將逐漸朝完全沒有安全性問題的磷酸鋰鐵電池發展。 鋰鈷電池的安全性問題 鋰鈷電池因為安全性不佳，需要有安全迴路的設計，若設計不良，容易因為使用或充電時間過長造成
6、過熱現象，甚至爆炸起火，近年來常見各電子大廠回收其產品的電池鋰鈷電池的缺貨問題 鋰鈷電池主要應用在手機、NB、DSC 等，以 NB 為例，去年以來，受惠 NB 取代 DT 效應，加上 Vista 及Santa Rosa 推出帶動換機潮影響，NB 需求大增，但過去幾年各 NB 電池芯大廠因為虧損均沒有擴充產能，使得電池芯出現缺貨問題，雖然 Sanyo、SDI 已開始擴充產能（表一），但仍不敷使用，預估最快明年上半年缺貨問題才可望有效解決。 二次電池的特性 各種二次電池產品特性如表所示（表二）。二次電池依應用面所需的功率大小可區分為高功率的大型電池和低功率的小型電池部份，其中高功率的大型電池主要是
7、汽機車及工業設備的蓄電系統、電動手工具機及其他車用市場，目前電池主流為鉛酸及鎳氫電池；低功率的小型電池主要為可攜式的消費性電子產品，主流為鋰鈷電池。 表二、各電池產品特性比較電池種類 產品 售價安全性 綠色 產品 原料 專利保護 記憶 效應體積 能量密度(Wh/L) 放電 功率(W/Kg) 能量 效率(%) 循環 壽命 (次)充電時間(小時) 主要應用 鉛酸電池 1 佳 否無 否 100 300 60 400 8大型電池 鎳鎘電池2 佳 否無 是 150 855 75 500 1.5大型電池 鎳氫電池2.4 佳 是 無 是 250 800 70 500 4大型電池 鋰鈷電池4差 是 無 否 4
8、66 320 90 500 24小型電池鋰錳電池6尚可 是 無 否 285 400 90 500 24小型/大型電池 鋰鎳鈷6差 是 有 否 500 300400 90 500 24小型電電池 池磷酸鋰鐵10 優 是 有 否 255 2000 95 2000 2大型電池 磷酸鋰鐵電池因為具有以下五大優勢，未來將取代鉛酸、鎳氫電池應用於大功率電池 1 循環壽命長：循環壽命高達 2,000 次以上，為鉛酸的 5 倍、鎳氫的 4 倍以上。 2 放電功率大：放電功率分別為鉛酸、鎳氫電池的 6.6、2.5 倍，極適用在需要高功率的大型動力電池，分別是車用電池部份。 3 充電時間短：充電時間不到 2 小時
9、，僅需鉛酸電池的 1/4、鎳氫的 1/2。 4 轉換效率佳：轉換效率達 95%，優於鉛酸的 60 %、鎳氫的 70%。 5 輕薄短小：體積重量僅為鉛酸的 50%，鎳氫的 70%。 磷酸鋰鐵電池短期尚無法應用於可攜式消費性電子產品 磷酸鋰鐵電池正極材料分子間具有強共價鏈，結構穩定沒有安全性問題，完全不會燃燒爆炸。相較於安全性頻傳的鋰鈷電池，相當具有優勢。 缺點:不過磷酸鋰鐵電池因為能量密度低，相同體積的電池，電容量僅有鋰鈷電池的 60%75%。因此若要維持相同的電容量，需要較多顆的電池，因此短期內無法應用在要求輕薄短小的 3C 產品領域。需待技術的提升及價格的下降才有機會取代，預估 2010 年
10、以後才會發生取代效應。 磷酸鋰鐵電池目前無法普及的原因 :1 售價高2專利磷酸鋰鐵電池雖然具有許多優點，但目前仍無法普及，主要是受限產品售價過高及具有專利疑慮問題。磷酸鋰鐵電池目前因生產規模及良率問題，產品售價高居所有二次電池之冠，售價為鉛酸電池的 10 倍以上，為鋰鈷電池的 2.5 倍以上，但純以材料成本而言，磷酸鋰鐵電池為所有鋰離子電池中最低者(1528 USD/kg，鋰鈷 2650 USD/kg)，未來隨技術提升良率提高，產品逐漸普及後，售價可望逐漸下降。 另一個關鍵因素則是專利的問題。目前磷酸鋰鐵電池正極材料粉體配方的專利主要掌握在 Phostech 及 A123兩大陣營中，其中 Ph
11、ostech 背後代表的是磷酸鋰鐵粉體的發明人 Goodenough 博士及德州大學，宣稱擁有專利權，控告 A123 及其他廠商（圖 6），由於雙方纏訟已久，使得其他欲跨入此領域的廠商紛紛採取觀望態度，造成磷酸鋰鐵電池推廣不易。但根據業者表示，近期 A123 已向 Phostech 提出和解的請求，預料專利問題近期可望獲得解決，屆時將可加速磷酸鋰鐵電池的普及速度。 潛在市場商機 因為磷酸鋰鐵電池為新產品，目前尚未大量商業化，各市場的滲透率很低或零滲透，因此本文在計算潛在市場商機時，均假設各市場產品電池未來 100%被磷酸鋰鐵電池取代，求算最大可能之商機。 1 油電混合車(Hybrid Elec
12、tric Vehicle，HEV)市場 因環保意識抬頭影響，油電混合車備受市場注意，未來市場成長潛力佳。油電混合動力車因為兼採內燃機（引擎）及電動馬達之優點，彌補各自之缺點，能有效減少油耗及污染。透過動力控制系統，可將煞車時耗損的動能轉換為電能，做為未來行駛之用；一般汽車於中低速時最耗油，HEV 在車速處於中低速時改以電動馬達提供動力，降低汽油的使用；整體而言，HEV 比傳統引擎節省 50%的汽油消耗，每公升汽油可以行駛驚人的 23.3 公里，遠高於一般汽車的 1012 公里，因此可以有效減少汽油的使用，極具節能的效果。 06 年全球 HEV 銷售約 40 萬輛，預估 2007 年成長 50%
13、至 60 萬輛，2010 年更將成長至 210 萬輛，預估 2015年將達 600 萬輛以上（表三）。目前 HEV 均以鎳氫電池為主，未來將有 2/3 會採用鋰離子電池，完全無爆炸且大電流的磷酸鋰鐵將為明日之星。假設 1 台 HEV 電池約需新台幣 20 萬元，預估 2007 年 HEV 電池市場達新台幣 1,200 億元，2010 年將成長至 4,200 億元，CAGR 達 52%（圖 7）。 2 電動自行車(Ebike)市場 近期除 HEV 外，Ebike（此部分含電動速克達）市場同樣因為環保意識而呈現大幅成長。主要是因為 Ebike不需使用石化燃料、售價及使用成本相對低廉、可以解決都會區
14、停車及塞車問題、沒有空氣及噪音污染等四大優勢。目前全球 Ebike 市場中國佔約 95%，主要是因為中國近年來經濟快速發展，城市地區人口大量移入，居民收入快速成長，由於二次電池與馬達技術的進步及政府考量能源與空氣污染的問題，大力推動Ebike 並禁止摩托車的發牌所導致的。 預估全球 Ebike 需求將從 2006 年的 1,511 萬輛成長至 2010 年的 3,082 萬台（表四），目前中國 Ebike 高達 90%採用鉛酸電池，鎳氫電池僅 8%，鋰離子及其他電池僅 2%。預估未來將改以鋰離子電池為主。假設一台 Ebike需要 30 顆磷酸鋰鐵電池 ，預估 Ebike 電池市場規模將從 20
15、06 年的新台幣 748 億元成長至 2010 年的 1,526 億元，CAGR 達 19%（圖 8）。 3 電動代步車及電動輪椅車市場 2006 年全球電動代步車及電動輪椅車市場需求約 80 萬台，每年以 710%速度成長，預估 2010 年可達 120萬台( 表五) ，其中必翔市佔率約 10%。此市場目前主要均以鉛酸電池，但也將逐漸朝鋰離子電池發展，以必翔為例，目前其產品已有 15%採用磷酸鋰鐵電池，預計明年將提升至 3040%，此市場也因為有必翔的推動滲透率將較其他市場快。假設一台電動代步車或電動輪椅需要 60 顆磷酸鋰鐵電池，預估電動代步車及電動輪椅車電池市場產值可由 2006 年的新
16、台幣 87 億成長至 2010 年的 119 億元，CAGR 為 9%（圖 9）。 .4. 電動手工具機市場 受惠歐美房屋 DIY 修繕風潮盛行，電動手工具機市場需求龐大，每年約穩定成長 5%。目前以鎳鎘、鎳氫電池為主，近年來鋰離子電池已逐漸打入此市場，未來比重將持續增加。 全球最大電動手工具大廠 Black & Decker (B&D)曾推出 1 款 799 美元的超熱賣新產品組（DCX 6401 Combo Kit，各產品可單獨銷售），這款產品不過在上市後的第 2 個季度，便因可 1 小時高速充電、強大功率提升效率、高安全性與 2,000 次以上的電池循環壽命等優點，創下 2,000 萬美
17、元的銷售成績，打破 B&D 創立以來的所有紀錄。B&D 表示這些新產品不再需要電線，只要裝上電池就可以獲得比過去插電的舊產品更好的工作效率，這是重大突破，將徹底改變全球電動工具市場的生態。在國際大廠帶動下，預估磷酸鋰鐵電池在電動手工具機市場的滲透率可快速提升。假設 1 台電動手工具機需要 3 顆磷酸鋰鐵電池，預估 2010 年電動手工具機的電池市場產值可達到 903 億元（圖 10）。 5 太陽能 LED 路燈儲能市場 由於全球暖化嚴重，環保意識提高，具有節能效益的太陽能 LED 路燈前景備受看好。太陽能 LED 路燈不僅可以透過太陽能發電減少石化燃料的使用，更可透過使用 LED 照明降低電力
18、的使用量，具有雙重節能題材。全球太陽能 LED 路燈將以偏遠地區首先採用（因為偏遠地區電力設施較不完善，市電供應較少，所以需要透過太陽能發電），而中國大陸因為政策的推動將為全球成長最快速地區。 預估大陸 LED 路燈市場規模將從 2007 年的新台幣 10 億元成長至 2010 年的 245 億元（表六），換算路燈數約當從 3 萬盞成長至 67 萬盞。假設大陸 LED 路燈全採用太陽能發電，且 1 盞太陽能 LED 路燈儲能設備需要 140 顆磷酸鋰鐵電池，預估太陽能 LED 路燈儲能設備電池市場產值可由 2007 年的新台幣 6 億成長至 2010年的 156 億元，CAGR 為 190%（
19、圖 11）。 磷酸鋰鐵電池潛在市場商機 : 2010 年磷酸鋰鐵電池市場規模達 6,903 億元若上述 5 個市場全部 100%採用磷酸鋰鐵電池，預估 2010 年磷酸鋰鐵電池市場規模達 6,903 億元，20072010年 CAGR 達 32%（圖 12），其中以 HEV 市場佔比重最大，達到 61%。長期而言仍將以汽車市場規模最大，若全部汽車都改為 HEV，2010 年 HEV 電池需求高達新台幣 15 兆元以上。太陽能儲能設備的電池需求也不容小覷，台灣約有 130 萬盞路燈，若全部改為太陽能 LED 路燈，則潛在電池市場規模達 300 億元，全球市場更是具有想像空間，預估也將高達新台幣數兆元。總之，磷酸鋰鐵電池市場商機無窮，值得期待。
