一、前言
隨著電動汽車日益普及，驅動液態電解質鋰離子電池(Lithium-Ion Battery, LIB)市場大幅成長，但在未來十年內該性能將達極限，因此需積極尋求替代或次世代技術。其中固態電池(Solid-State Battery , SSB)為新興電池技術中，最具市場成熟度的電池技術，但仍處於研發階段並面臨許多挑戰，目前市場占比不到1%。

固態電池路線圖為德國聯邦教育及研究部(BMBF)所資助的研究項目，並由研究機構Fraunhofer ISI研擬路線圖及發展策略。以下將摘述固態電池路線圖中的電池材料、電池概念以及市場應用，最後再列出歐盟及德國的固態電池發展方向。

二、固態電池材料
1.陽極
目前電池陽極的活性材料有鋰金屬、矽、石墨、鋰鈦氧化物(lithium titanate oxide, LTO)，其中鋰金屬具有最高的能量密度，被視為理想的陽極材料，但在充放電時容易生成鋰枝晶是最大的挑戰之一。
而矽具有高能量密度(略低於鋰)，但體積變化率過大(超過300%)，因此主要以氧化矽(SiOx)或奈米矽材形式，添加至石墨或碳基材料中，提高其機械穩定性，被視為是次世代鋰離子電池的首選技術。

2.固態電解質
固態電解質是固態電池的核心要件，亦為固態電池與液態電解質鋰電池的重要區別。目前最具發展潛力的固態電解質材料有3種，分別為氧化物、硫化物和聚合物。

(1)氧化物電解質
氧化物電解質具有較高的機械及化學穩定性，但需要高溫燒結、易脆等材料特性，導致當前加工技術難以以具有成本效益的方式將其加工為薄且均勻的氧化物電解質膜。此外，氧化物的離子電導率通常過低，無法作為固態電池的陰極液。以市場中期發展而言，未來液體/凝膠電解質的混合電池概念較具市場可行性；以市場長期發展來說，硫化物電解質陰極電解液則較為合適。

(2)硫化物電解質
硫化物電解質則在機械特性上較氧化物電解質更具延展性，且無須燒結易於加工。但目前硫化物電解質的材料相當有限，且因許多潛在材料價格高昂，僅處於研發階段。預計未來市場將因擴大規模生產，促使材料價格下降。硫化物電解質和鋰陽極接觸時的化學性質不穩定，因此需在接觸面摻雜電解質以提高穩定性。

(3)聚合物電解質
聚合物電解質是目前最成熟的技術，但在室溫下的離子導電率有限，因此電池組需要加熱系統，此特點遂成為限制聚合物電解質應用於固態電池的主因。除此之外，較低的離子導電率亦會影響充電和放電速率。未來材料研發重點方向為提高聚合物電解質的離子導電率，並實現在室溫中的應用。

3.陰極
應用於高能量密度固態電池的理想陰極活性材料為層狀富鎳氧化物(鋰鎳錳鈷氧化物 (lithium nickel manganese cobalt oxides, NMC)、鋰鈷鋁氧化物(lithium nickel cobalt aluminum oxides, NCA))，然而上述材料與許多固態電解質材料的相容性偏低，成為廣泛應用的阻礙。上述問題多數可藉由採用陰極活性材料塗層，以提高電池運作穩定性。鋰鐵磷酸鹽(lithium iron phosphate, LFP)成本較低且與大多數固態電解質具高度相容性，因此未來在聚合物電解質固態電池的應用中至為關鍵。

三、固態電池主要發展方向及應用市場
目前全球電池市場以鉛酸電池和鋰離子電池為主，其中電動汽車尤為LIB市場占比不斷成長的主要驅動力：2020年全球LIB的需求為250-280 GWh；到了2021年的則成長至400 GWh，年增成長率達30-40%以上。然而，目前固態電池占比不到LIB需求的0.5%，而且大多數固態電池的技術成熟度尚未達到商業化水準。

而在2010~2019年，固態電池出版物及專利申請數皆快速成長，在鋰電池總數的占比也在近幾年成長了15%。專利申請區域則主要由日本處於領先地位，其次是美國、韓國、歐盟和中國。歐盟雖在材料研發方面具發展優勢，但在工業生產技術上則明顯落後。因此，歐盟在過去10-15年間，企業及研究機構不斷投入研發固態電池，並針對最具市場發展潛力的電池材料組合進行評估，彙整以下固態電池發展方向及應用市場。

1.聚合物電解質固態電池
(1)材料發展：
聚合物電解質固態電池已具高度市場成熟度，主要由鋰陽極、單一或多種聚合物電解質，以及LFP陰極組成，目前預計可實現能量密度約為240Wh/kg和360Wh/kg。而NMC陰極相對電位較高，聚合物電解質的穩定性仍需大幅提高，方能實現操作穩定性。因此，陰極採用NMC/NCA代替LFP有望成為更高能量密度的電池類型。

(2)應用市場：
目前僅有聚合物電解質固態電池已大規模上市，其主要劣勢在於運作溫度為50-80°C，因此加熱系統需要消耗能量以保持電池隨時可用。目前主要應用係電動公車，未來具發展潛能的應用則有固定式儲能、乘用車及卡車等。

2.硫化物電解質固態電池
(1)材料發展：
目前硫化物電解質固態電池處於研發階段未達商業應用水準，預計於2025年開始少量試行生產。其中最接近商業應用程度的硫化物電解質固態電池由矽/石墨與硫化物合成之陽極、電解質，以及NMC陰極組成。另外一個具備高度市場應用潛力的電池類型為鋰金屬陽極，但需克服市場加工鋰金屬經驗較少，以及鋰與硫化物電解質接觸的化學穩定性問題。

(2)應用市場：
預計未來10年間硫化物電解質固態電池將有更大規模的應用，根據其高能量密度優勢及研發結果推論，未來其主要應用為乘用車。此外，無人機亦可能成為硫化物電解質固態電池的重要應用。就長期發展而言，若硫化物電解質固態電池達商業化階段且可降低成本，亦可進一步應用於卡車和固定式儲能等領域。

3.氧化物電解質固態電池
(1)材料發展：
與硫化物電解質固態電池相似，目前氧化物電解質固態電池處於研發階段，僅有微型電池可達商業應用程度，仍未能大規模上市。其中最接近商業應用程度的電池是由鋰金屬陽極、氧化物電解質隔膜、NMC陰極組成。其主要挑戰在於提高氧化物電解質的離子電導率，並解決材料易脆及高溫燒結的加工技術問題。

(2)應用市場：
氧化物電解質固態電池主要發展優勢在於高穩定性，因此相當適合發展重型機械的工業應用及軍事應用。然而，其最大的市場驅動力將為汽車領域的應用，未來亦可發展卡車及固定式儲能等應用。

四、小結：歐盟及德國的發展方向
歐盟及德國具備大量資金及優異的研發能力，惟目前產業基礎非常有限，且商業發展僅限於聚合物電解質固態電池領域。因此，從材料供應、試行生產，到擴大生產規模等階段，亟需建立成熟的固態電池價值鏈。另外，影響固態電池擴大應用的關鍵在於固態電解質材料，以及固態電池所需的其他零件(如鋰負極)的生產、加工和界面等工業流程的規模化生產能力。