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電動車電池技術發展概況與趨勢-以GS Yuasa公司為例

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科技產業資訊室 (iKnow) - 賴明豐 發表於 2014年3月4日

一、前言

2008年石油危機甚囂塵上,因為原油的稀少性和高油價,全球興起一股能源創新風潮,再加上歐巴馬政策的加持,觸發全球綠能產業的興起,連帶讓低排汙、低油耗的電動車議題跟著炒熱了起來(陳柏基,2014)。南韓政府也推出相關政策(中央社,2014),與該國汽車業者著手開發產製價格更為親民的電動車,希望能在2020年以前,將電動車產製成本壓在2萬7,900美元以下,而且單次充電至少能跑300公里。日本鉛蓄電池大廠GS Yuasa也認為(MoneyDJ理財網a,2014),電動車將在2020年成為汽車市場的主流。但是,要想大量生產電動車,就必須等待電池成本再降低及效能更佳時才有機會實現(MoneyDJ理財網b,1999),因為光是電池,其成本就佔電動車售價比重將近六成。電池會是影響電動車成功推出市場最大的關鍵因素!因此,研製出能兼具高耐用性與低價的電池,對電動車非常重要。有鑑於此,本文以GS Yuasa公司為例,瞭解國際大廠在電池技術上的專利發展現況,供國內相關廠商參酌。

二、電動車電池發展概況

基本上,在電動車電池技術這塊相關的研發議題包括安全性、再次充電時間、能量提供、環境溫度、電池性能極限與環保問題(許家興,2009)。而電池可以進一步區分為鉛酸、鎳鎘、鎳氫與鋰離子等不同類型,如圖一所示。鉛酸、鎳鎘、鋰鎳與磷酸鋰鐵等類型電池都會對環境造成污染,鎳氫與釷錳電池充電或儲能效率不佳,鋰鎳電池則是面對成本下不來的窘境。不過,自鋰離子電池問世之後,相關研發工作一直都在持續進行中,像是使用安全、環保與充儲電效率等等技術瓶頸相繼都有一些突破,讓鋰電池價格不斷下降。可以說,鋰離子電池不斷在為全球電動車市場的發展奠定良好的技術基礎(人民網a,2014;國際在線,2014);各大廠商力拼能讓每千瓦時電池價格降至台幣9000元以內,就能讓純電動車價格降到汽油車的水準。

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圖一、電池類型

資料來源:許家興 (2009,第14頁)

目前在鋰離子電池看到的新興發展(國際在線,2014),如圖二所示,包括磷酸鋰鐵電池、石墨烯電池與Sekisui Chemical成功研發的超薄鋰離子電池。現在電動車電池市場,以磷酸鋰鐵為正極材料的鋰電池最夯,被大量使用在日本、中國跟台灣的電動機車或摩托車(電氣二輪車)市場中(綠能趨勢網,2011),它改善了傳統鋰電池可充電次數與儲能效率,同時,也讓電池使用壽命從過去的1年,大幅拉長到5年以上。另外,石墨烯電池則是另一項新能源電池,它是以鋰電池為基礎,讓電極在石墨烯表面快速大量穿梭運動而生電。事實上,自2004年以來,石墨烯出現之後,全球各國競相投入這項明星級材料,像歐盟就投入10億歐元將石墨烯打造成未來新興技術旗艦項目(人民網b,2014)希望加速石墨烯的商業化應用;在電池這塊的應用,石墨烯的加入,大大改善了鋰離子電池充電儲能的效率,為鋰離子電池領域帶來革命性的技術進步。第三項最吸睛的新技術,就是去年(2013)日本Sekisui Chemical成功開發的片狀可撓式超薄鋰離子電池(日經中文網,2013);這項技術能讓純電動車有機會實現1次充電就可以行駛600公里左右的理想,讓現在一次充電僅能行駛200公里左右的純電動車,有機會跨入汽油車水準,如果再搭配Sekisui Chemical研發的特殊材料,更能讓電池生產成本有機會大幅降低。

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圖二、磷酸鋰鐵電池(左上)、石墨烯電池 (右上)、Sekisui Chemical超薄鋰離子電池 (下)

資料來源:馬達科技研究中心(2010);和訊視頻(2013);騰訊數碼(2013)

三、GS Yuasa (湯淺電池) 申請專利申請狀況

GS Yuasa是一間日本公司,成立於2004年,總部設在日本京都,相關產品包括電池、電源系統、照明設備,以及環境相關產品,是世界第二大電池集團。今年(2014)二月,Robert Bosch GmbH、GS Yuasa與三菱商事又宣布共同設立一家合資公司。Robert Bosch GmbH將提供其電動車零部件全線產品與整體監測和控制系統整合能力(鄧莉,2014),再加上GS Yuasa與三菱商事在電池組面向的研發能量,未來將強攻研發電動車用的次世代鋰離子電池技術,目的希望能研發出讓電動車行駛距離增加到現行2倍水準的電池產品,讓電動車可行駛距離更逼近現行的汽油車。因此,本文選擇GS Yuasa公司做為本次電池技術發展現況的觀察對象,瞭解該公司專利發展現況。

GS Yuasa公司近年來在美國已公開之申請件專利共172筆(註:最後檢索日期為2014年2月14日);去除家族專利與重覆件之後,得163筆,包括76件PCT專利與37件獲證專利。從專利件數與發明人人數的變化狀況來看,如圖三所示,GS Yuasa從2003年開始到美國申請專利,每一年都會出現一些專利。2008~2009年間投入研發的人數減少,但2010~2011年申請量激增,投入研發的發明人大量出現。顯然,2010年NISSAN與GM推出的兩款可規模量產電動車(黃樑傑,2011),確實有效刺激了全球相關技術研發廠商對電動車市場的信心與期待,讓眾多電子大廠願意砸下重資,從電池領域大步跨入電動車供應鏈上游系統中。

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圖三、技術生命週期-發明人

從GS Yuasa這163篇申請專利來看,大部份都與電池相關(有158篇),其他還有照明(有3篇)與環境相關技術(有2篇)。看這些申請專利的引證狀況,如表一所列,163件專利中有18件電池相關專利曾被其他36篇已授權專利引用,這些公司包括韓國三星、日本Panasonic/Fujitsu、台灣鴻海…等等。這18篇專利中,又以20070059596(授證號7348099,Nonaqueous secondary electrolytic battery)最常被其他專利引用,主要揭露電池密封結構與相關材料結構的技術與作法,被歸在USPC 429/185分類中。

表一、被引用過專利

領域 專利編號 第一發明人 被引用數 已取證 PCT USPC-1 IPC-1

電池

20060166045
Ryoichi; Okuyama
7
 
P
429/9
H01M 16/00
電池
20070054159
Ryoichi; Okuyama
5
P
P
429/492
H01M 8/10
電池
20070020497
Ryoichi; Okuyama
4
 
P
429/410
H01M 8/10
電池
20070059596
Mukai; Hiroshi
20
P
 
429/185
H01M 2/08
電池
20080315161
Endo; Daisuke
2
 
P
252/519.3
H01B 1/08
電池
20090208830
Okabe; Kazuya
2
 
P
429/121
H01M 2/26
電池
20080166630
Okabe; Kazuya
2
 
P
429/178
H01M 2/30
電池
20070042234
Okuyama; Ryoichi
2
 
P
429/410
H01M 8/00
電池
20070285058
Kuroda; Shinsaku
2
P
 
320/118
H02J 7/00
電池
20120181988
Uchibori; Takuji
2
   
320/134
H02J 7/00
電池
20100297478
Mashiko; Wataru
1
P
P
429/7
H01M 14/00
電池
20090104527
Ozaki; Tetsuya
1
P
P
429/218.2
H01M 4/02
電池
20090130557
Fujita; Kohei
1
 
P
429/209
H01M 4/14
電池
20100086855
Kohmoto; Mariko
1
   
429/231.6
H01M 4/58
電池
20070269717
Bandou; Toshinori
1
 
P
429/218.2
H01M 4/58
電池
20100178570
Kozono; Suguru
1
P
P
429/338
H01M 6/16
電池
20070212577
Okuyama; Ryoichi
1
P
P
429/410
H01M 8/06
電池
20070096688
Suzuki; Isao
1
 
P
320/112
H02J 7/00

資料來源:美國專利局專利資料庫;本文整理

這163篇申請專利的技術落點,如圖四所示,領域主要聚焦在429上 (化學:電流生產設備,產品和製程類技術,有124篇),其次是29 (金屬加工類技術,有32篇) 與252 (合成組構物相關技術,有16篇)。基本上,GS Yuasa從2007年就開始投入429這類技術的佈局,同時該類技術也是GS Yuasa近幾年專利申請的主要領域,其中包括429/179 (在電池外殼側邊設計具接線端點的結構,有26篇)、429/094 (複數同心或單線圈電極,有17篇) 與429/223 (以鎳做為設計電極時使用的無機電化學活性材料,有9篇) 都是GS Yuasac常見的技術方向。

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圖四、一階美國專利分類 (USPC) 分佈狀況

進一步把GS Yuasa的PCT專利拿出來看,跟電池相關的專利有72篇,照明與環境相關技術則各有2篇。電池類專利技術主要落在429類,其中又以94、179與410 (燃料電池的純化過程或裝置) 等次分類最常見;重要發明人包括Toshiyuki Nukuda (2008年開始參與,有17篇;研發重點放在429類技術,包括221、338、179與050等次分類)、Tsutsumi Masakazu (2011年開始參與,有14篇)、Syun Ito (2011年開始參與,有12篇;主要研發重點放在429/179類技術)、Manabu Kanemoto (2009年開始參與,有12篇;近年研發重點放在429類技術,包括094、146、163、206、223等次分類)、Tokuo Inamasu (2008年開始參與,有11篇;近二年研發重點放在429類技術,包括056、221與231.5等次分類)、Sasaki Takeshi (2011年開始參與,有11篇) 與YoshitakeShinsuke (2011年開始參與,有11篇;研發重點放在429/179類技術) 等人。

四、結論

從GS Yuasa公司申請件專利分析結果來看,2009年之後,專利量開始大量成長,技術領域集中在429/179、29/623.1 (電池製程)、429/94與252/182.1 (電池電化學合成物)等四類,都有超過10件以上的專利。這些專利中,大約有五分之一的專利透過PCT方式申請,且這些PCT專利被其他專利引用的比例也相當高。重要的研發人以Toshiyuki Nukuda參與的專利數量最多,這位發明人涉及的技術領域非常多元,最近幾年的研發焦點則較多放在以鐵做為設計電極時使用的無機電化學活性材料上;其次是Tsutsumi Masakazu,他則比較專注在電池外殼側邊接點設計的議題。從新興技術這部份來看,美國專利局已經有565件與磷酸鋰鐵電池 (Lithium Iron Phosphate;LiFePO4) 技術相關的核准專利,而GS Yuasa佔其中2篇(20090236564與20110068293);而石墨烯電池 (Graphene) 這部份,美國專利局目前有445篇相關專利,但GS Yuasa並沒有含括其中。

從市場面訊息來看,Robert Bosch、GS Yuasa與三菱商事選擇在今年(2014)初宣佈合資設立新公司,是否反映全球電動車市場的春天真的要來了?!尤其,隨著Tesla Model S成功完成3,427英里的「不可能任務」之後(關鍵評論網,2014),更是讓大家重新對電動車燃起新希望(蔣宛如,2014;黃郁文,2014;劉佳惠,2014)。以台灣來說,或許可以先就公共運輸系統嘗試進行相關的導入計畫(李濠仲,2014;成熔興與張惠榮,2014),以兼顧經濟、環保與產業的發展。目前,僅有台中市率先推出無噪音油電公車(鄭敏鈴,2014)。另一方面,隨著歐盟委員會對排放標準管制日趨嚴格的帶動下(劉敏夫,2013),全球市場對電動汽(機)車的需求只會愈來愈明顯。雖然,電動車仍存在許多難題,例如電池續航力仍是最關鍵需要克服的問題(博世,2013),其他還包括一些跳脫電池本身,而是關於外部充儲電環境如何搭配的難題,總不能車開一開,想充電卻找不到可以充電的設備或充電站吧!不過,總的來說,持續看到一些不斷突破的創新成果,總令人感到希望;相信未來將會在更多研發人員投入鋰電池技術領域中,看到更多更新的突破與發展,讓純電動車更快走向普及化。同時,未來,應持續針對Robert Bosch、GS Yuasa與三菱商事等幾家公司專利申請狀況進行觀察與分析,從中瞭解國際電動車電池大廠相關技術研發進度,適時反饋給國內相關廠商參酌。(3516字;圖4;表1)

參考文獻

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  • 劉敏夫 (2013/2/17),IHS預測,今年全球電動汽車產量將逾 40.3 萬輛,較去年飆升 67%,財訊快報,參考網址:http://news.sina.com.tw/article/20140217/11786952.html
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  • 馬達科技研究中心 (2010/11/19),輕量化超強電力:新世代環保啟動電池,參考網址:http://km.emotors.ncku.edu.tw/emotor/worklog/EMTRC_wordpress/?p=135
  • 和訊視頻 (2013/5/24),石墨烯超級電容帶來變革,參考網址:http://tv.hexun.com.tw/2013-05-24/154465905.html
  • 騰訊數碼 (2013/12/5),超薄鋰離子電池技術問世 電量可提升3倍,新華網,參考網址:http://big5.xinhuanet.com/gate/big5/news.xinhuanet.com/info/2013-12/05/c_132942163.htm

 
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