類武林:電池界的九陰真經與白骨爪

陳勇全,產業顧問、電池工作者,致力于推廣電動賽車與STEAM教育。現任合春國際(股)董事長、浩永國際(股)執行長,曾擔任耐能電池(股)副總經理、高頻企業(股)技術經理、美國Leviton Manufacturing Company策略技術部突波保護材料開發計畫主持人和專案經理。東海化工畢業、美國南加大材料科學碩士和工程師學位,台灣先進電動載具協會創會理事長、美國慈濟分會志工。圖 / 陳勇全

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最近和浩峰生技董事長陳水田碰面聊起,台灣早年有雷敏宏、費定國、萬其超和周澤川4位電化學界耆老。後來在電池相關群組分享這段訊息和之前在《策略風》仿「倚天屠龍記」所寫的文章,結果,雷博留言說,會把這部小說找出來再看一次。

如套用金庸在倚天屠龍記建構的武俠世界來說,歐盟目前通過新的電池法規 (EU Batteries Regulation 2023/1542) ,是準備將「電池護照」當成寶刀來屠龍;日本則想藉開發「固態電池」,用為倚天劍跟中國爭鋒。

至於台灣的電池廠商,若想採取類倚天劍中所藏的「武穆遺書」兵法,可以參考我在前面文章曾提出的3個發展策略。或者學學「降龍十八掌」的功夫,從耐能電池沈董在東海電池工坊曾介紹的各種電池,用其中的一招半式一門深入,就可以找到賴以生存的機會。

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台塑新智能最近宣布,和工研院合作開發出「鋰電池乾式電極技術」,並建立相關製程與能力。董事長王瑞瑜指出,乾式電極技術可減少設備投資、人力需求與製程複雜度,對推進鋰電池環保製程具有長遠效益。

王瑞瑜還說,乾式電極技術是推動全固態電池商業化的重要關鍵,由於全固態電池對材料密度與界面結構的要求相當高,乾式製程可形成更穩定的電極結構並提升電池效能。但就我的經驗,在電池領域宣稱實驗室開發出來的技術或產品,通常需要5-10年才能商業化量產。

2020年馬斯克在電池日,宣稱特斯拉的4680電芯會用乾式電極技術,結果到現在,五年都過去了,還沒真正實現商業化量產。正足以佐證以上我說的--那是因為在高速生產下,粉末厚度塗層很難均勻以及電極材料與集電片間的穩定附著,也是考驗與挑戰。

其實,兩年前我曾受邀至中科院飛彈所召開的固態電池研發閉門會議擔任座談會主持人。當時我就意識到,30幾年前在美國Leviton 公司主持研究計畫所開發的專利技術,或有機會應用到固態電池的開發上。

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台塑新智能這樣的乾式電極製程,可能跟我以前開發突波保護用的複合材料有關,包括當時所用到的各種研究方法與製造技術。結果,今年諾貝爾物理學獎頒給3位物理學家,就是因為他們發現了巨觀的量子穿隧效應。

這種量子力學的穿隧效應,正好是我1988年開發突波保護材料所應用到的原理,而且,只在金屬粉末表層有50~100Å 厚的絕緣層時才會發生,且有奈秒瞬間 (<1nsec) 的反應,剛好可以在核爆下保護電子裝置。

這件事也引起我很深的感觸。因為1994年剛回台灣,曾經向當時華新麗華總經理介紹公司專利並尋求合作,結果只換來一頓中餐,雖然整桌坐滿了工程師;後來也向當時東海化工的系主任建議,用這個題目向國科會申請計畫,結果申請沒通過。

後來,雖也找過工研院化工所討論流體化床的製程開發;拜訪核研所人員談過量子井的裝置應用,但也都不了了之。最後,心想先封存30年,等有機會再來講述這段歷程,沒想到今年諾貝爾獎就頒給這領域的三位學者: John Clarke、Michel H. Devoret與John M. Martinis。

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當年我在美國公司Leviton,主持「SAM突波保護材料」計畫,曾用量子穿隧和滲流理論撰寫的專利,現在看來也可說是一部電池「九陰真經」的摘要。當年的美國發明專利,在下列這篇文獻有詳細記載:

U.S. Patent for Electrical overstress materials and method of manufacture Patent (Patent # 5,294,374 issued March 15, 1994) 。

對應我撰寫的專利內容,剛好可整理出10個重點,當做電池九陰真經的基本架構,詳細說明如何用量子穿隧效應和滲流理論,以化學蒸氣沉積與流體化床的方法,將金屬粉末的表面均勻的產生絕緣層、開發突波保護用開關複合材料以及整個專案管理與專利撰寫。

  1. 金屬與半導體的複合材料(Composite Materials)
  2. 量子穿隧效應(Quantum Tunneling Effect)
  3. 滲流理論(Percolation Theory)
  4. 化學蒸氣沉積結合流體化床(CVD/FBR)
  5. 材料混漿摻合與熱固化成型(Compounding/Molding)
  6. 電化學測試(DC/AC/Pulse/Surge Test)
  7. 電子掃描顯微鏡和影象分析(SEM/Image Analysis)
  8. 統計分析(Statistical Analysis)
  9. 專利申請(Patent Application)
  10. 專案管理(Project Management)

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我認為「電化學阻抗頻譜」(Electrochemical Impedance Spectroscopy)就像周芷若為速成,所學的「九陰白骨爪」。雖然好用,但仍需假以時日才能懂得箇中精髓,並能真正發揮效用。

記得幾年前,參加在台南的鋰離子電池與電化學儲能研討會,當時就看到國內有電池業者與幾位電化學的專家學者,運用電化學阻抗頻譜的方法,來分析鋰電池的電極材料、隔離膜還有電解液的變化與影響,甚至還擴及到燃料電池。

最後,關於這部電池的「九陰真經」和「九陰白骨爪」的功夫,只能期待將來可以傳承以及有人能真的修煉成功。

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