一、固態電池提升能量密度為各國重視發展目標
鋰離子電池(以下簡稱鋰電池)隨著技術持續演進，發展趨勢逐步朝向高能量密度、高功率輸出以及強化安全性等方向。然而，現階段主流鋰電池技術大多仍採用可燃性的液態有機電解液，於充放電過程中，電化學反應將伴隨熱能與氣體產生，此時若電解液受熱揮發並積聚，可能進一步導致熱失控現象，構成潛在安全風險。因此，在設計高能量電池時，因安全考量，對於高電壓與高容量材料的應用仍存在一定程度的技術門檻與安全考量。
以目前市售的鋰三元電池(NCM)與磷酸鋰鐵(以下簡稱LFP)電池，其重量能量密度分別約為290 Wh/kg及150 Wh/kg，若欲進一步推升至400 Wh/kg (NCM)與350 Wh/kg (LFP)等下一階段目標，必須在材料創新、系統結構設計與熱控管理間取得更佳平衡。為解決提升能量密度與確保系統安全之間取得平衡之議題，固態電池被視為下一代關鍵技術之一。其核心優勢在於以固態電解質取代傳統液態電解液，大幅降低可燃物比例，提升系統熱穩定性與安全性。此一設計也增加了材料選用上的彈性，更加能導入高電壓正極(如9系列高鎳三元材料、高電壓材料等)與高容量負極(如矽或鋰金屬)，推動理論能量密度上探至500~900 Wh/kg，為電池技術帶來顯著升級空間。
各國政府與企業也正積極投入資源加速此技術發展。如美國能源部(USDOE)推動「Battery 500」計畫，目標開發能量密度達500 Wh/kg的鋰金屬固態電池，以應對未來電動車在續航力與效能上的需求；日本鋰電池發展由經產省與NEDO提出相對應的固態電池技術開發，並進一步與產業界合作與推廣；中國大陸政府通過創建「中國全固態電池協同創新平台」(CASIP)來促進相關產業的協作，鼓勵有條件的企業對全固態電池相關技術展開研發，並投入約60億人民幣(約8.45億美元)開發下一代電動車電池技術；歐洲則將固態電池開發計畫列入European Strategic Energy Technology Plan (EU SET Plan)中。因此，固態電池技術的發展動態備受各界矚目，未來其無論在材料選擇、製程控制與成本管理等面向的進展，將直接影響其商業化時程與市場接受度。本篇將進一步分析其技術演進現況、挑戰與解方，以及全球市場佈局趨勢。
二、全固態電池技術發展路線
固態電池中，其固態電解質有相當多元的種類與技術路線，包括：1.氧化物固態電解質、2.聚合物固態電解質、3.硫化物固態電解質、4.氫氧化物固態電解質、5.鹵化物固態電解質、6.複合物固態電解質等，且各自擁有不同的材料體系。最常應用的為前三個技術路線，但隨著應用需求提升，複合技術發展成為具備未來潛力，且快速發展的技術路線之一，以下將針對各項技術進一步說明。
（一）氧化物固態電池
氧化物固態電池用電解質分為Garnet型、NASICON-like型、Perovskite型等不同結構型態。Garnet型為氧化物行中最常用的系統之一，其具有許多優點，包括高電化學穩定性和良好的離子導電性能等，且可藉由其它元素的摻雜以改善燒結條件，使製程效率提高；NASICON-like型與Perovskite型皆有較好的導離子特性，但其操作性能不如Garnet型，且當負極為鋰金屬時，其穩定性較差。然而氧化物型固態電解質普遍缺點為材質易脆、介面阻抗高、燒結溫度高、耗能大、部分材料有晶界問題等。如今為解決易脆，可藉由加入高分子材料形成複合型固態電解質來增加彈性、藉由導入導電添加劑來增加導電性、與鋰金屬的穩定度則透過表面改質來形成保護層、燒結上利用高性能添加劑或開發低溫合成材料來降低燒結所耗費的能量等。藉此來提升氧化物固態電解質的整體性能。(如圖1)
資料來源：工研院產科國際所整理(2025/02)
圖1 氧化物固態電池性能指標與其常見材料
目前市面上FDK(日)與Ilika(英)等已將氧化物固態電池導入小型消費型電子產品應用中。FDK所開發的小型氧化物全固態電池，藉由表面燒結技術，將正負極與氧化物電解質兩面進行燒結，藉此增加固態電解質與正/負極界面的貼合程度。其產品大小約為4mm*2mm*2mm，適用於耳機、手錶等小型電子產品中(如圖2)；Ilika所開發的小型氧化物固態電池也是以燒結方式與加壓的方式，使正負極與固態電解質緊密貼合，其產品主要應用在小型監測用醫療用品中以及小型手持吸塵器等產品。(如圖3)
資料來源：FDK官方網站(2024/10)
圖2 FDK氧化物全固態電池性能與規格
資料來源：Ilika官方網站(2024/10)
圖3 Ilika氧化物全固態電池性能與規格
（二）聚合物固態電池
聚合物固態電池用電解質(Polymer Solid Electrolyte)是以具離子傳導能力的高分子材料所構成，形成薄膜型電解質結構，具備一定柔韌性與製程友善性。常見基材包括聚環氧乙烷(PEO)及其與其他高分子共聚所衍生的改質型材料，此外如聚氧二甲苯(PPO)、聚丙烯?(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚偏二氟乙烯(PVDF)等工業用高分子塑料，普遍也具有良好的離子傳導潛力與電子絕緣特性，因此被廣泛視為聚合物固態電解質的潛力材料。然而，在實際應用中，純聚合物材料在室溫下離子傳導率仍相對偏低，導致鋰電池整體內阻較高，進而限制其在高倍率放電與快速充電場景下的效能表現。為克服此一技術挑戰，業界常透過添加少量液態電解液或導電型添加劑，以提升離子遷移效率。
聚合物固態電解質優勢在於具備低材料成本、高化學穩定性、優異機械強度以及相對簡易的製程條件，其技術門檻也相對較低，因而成為固態電池早期開發階段中，多數業者優先採用的技術路線之一(如圖4)。目前聚合物固態電池的技術發展以歐美廠商為主，其中較具代表性廠商為法國Blue Solution，其採用LFP正極材料，結合PEO基高分子固態電解質所構成的電池系統，並已於 2019 年導入應用於城市電動巴士，作為公共運輸之動力來源。(如圖5)
資料來源：工研院產科國際所整理(2025/02)
圖4 聚合物固態電池性能指標與其常見材料
資料來源：Blue Solution官方網站(2024/10)
圖5 Blue Solution所開發之聚合物固態電池應用於DAIMLER電動巴士產品
（三）硫化物固態電池
硫化物固態電池用電解質是以含硫化物化合物為基礎，具備極高的鋰離子導電性與優異的電化學性能，是目前三大固態電解質系統中在電池性能表現上最具發展潛力的技術。然而，此類材料由於易受空氣中氧氣與水氣影響，進而產生劇毒氣體硫化氫(H?S)，因此其製程需嚴格控制在無氧、無水的惰性環境中，使其不僅研發難度高，所需製造設備與防護設施也相對昂貴，成為其技術普及的主要挑戰之一。
目前硫化物電解質依結構類型主要分為兩大類：其一為LISICON-like結構(即Lithium Super Ionic Conductor)，此類材料具有極高的離子導電率，且合成製成相對成熟。然而，其在電化學穩定性與正/負極材料的界面相容性方面仍面臨挑戰，對製造與封裝環境的潔淨度與密封性要求較高；其二為Argyrodite結構(中文名稱為「硫銀鍺礦型」)，同樣具備良好的離子傳導性能，且因具備較佳的機械性與易壓製成型性，在加工與電池整合方面更具優勢。也因此，目前多數投入硫化物系統研發的企業，多傾向選擇Argyrodite型技術作為主要發展路線。(如圖6)
資料來源：工研院產科國際所整理(2025/02)
圖6 硫化物固態電池性能指標與其常見材料
韓國Samsung SDI採用Argyrodite型的LiPSCl作為其硫化物固態電解質的主要技術路線，並結合高鎳三元正極與鋰金屬負極(如圖7)。然而，LiPSCl 材料對水氣與氧氣高度敏感，製程中需配備高潔淨度的乾燥環境與氣體回收系統，以確保材料穩定性。此外，為降低電解質與正/負極間的界面發生副反應風險，Samsung SDI也導入正/負極表面的塗層技術，藉此提升界面相容性以及整體的循環壽命。
在量產進程方面，Samsung SDI已於2022年啟動固態電池的試量產線建設，並自2024年起提供樣品予部分下游客戶進行測試評估。為加速該技術的市場落地，公司也規劃自2026年起，率先導入至旗下小型電子產品，將應用於智慧手錶、戒指、藍牙耳機等可攜式裝置，作為固態電池的首波商業化應用場景。
資料來源：ID TechEX report(2024/10)
圖7 Samsung SDI硫化物固態電池設計概念圖
Toyota早已投入固態電池技術多年，累積了大量相關專利，其研發路線以硫化物體系為主，並採用Argyrodite型的LPSI作為核心固態電解質材料。近年來，Toyota與出光興產(Idemitsu Kosan)進一步展開合作，由出光興產負責硫化物電解質材料的開發，Toyota則專注於電池模組整合與車載應用，雙方已於2024年共同展示搭載固態電池的電動車模組產品(如圖8)。
然而，硫化物體系的固態電池在材料穩定性、界面處理與製程封裝等方面仍面臨諸多技術挑戰，也影響了Toyota固態電池商業化進程的安排。對此，Toyota首席科學家Pratt表示，為因應現階段技術與成本限制，Toyota將調整策略，優先將固態電池導入油電混合車體系，以較小容量的電池配置降低對整體車價的影響，待技術成熟與成本下降後，再進一步擴展至純電動車領域。此外，Toyota 也預告其新一代固態電池產品將於2026年問世，目標達成800公里續航里程與20分鐘快速充電能力，為未來車用動力電池提供高效能解決方案。
資料來源：Toyota官方網站(2024/10)
圖8 Toyota硫化物固態電池電動車電池模組設計概念圖
（四）其他型態固態電池
1.LIPON型固態電解質
LIPON 型固態電解質屬於氧化物系材料，透過摻入特定金屬元素，使其形成玻璃態或陶瓷態結構，以提升整體的循環壽命、離子導電性、電化學穩定性與機械強度等性能。此外，LIPON 型材料具備製程簡易、可實現薄膜化的特性，為氧化物固態電解質中少數可用於超薄結構的材料之一。相較於一般氧化物電解質厚度約在200~500μm，LIPON系統可進一步減薄至100μm以下，因而成為多家企業積極投入研發的潛力技術路線。如日本OHARA公司開發的LICGC™ SP-01，即為一種玻璃陶瓷燒結體薄膜，具備高離子導電率，且材料本身不溶於水、不具燃燒性、可在大氣環境中處理，並兼具一定機械強度，顯示出良好的實用性與安全性。該材料目前已規劃導入小型電子產品與消費型無人機等應用場景中。(如圖9)
資料來源：OHARA官方網站(2024/10)
圖9 OHARA LICGCTM SP-01固態電池展示品與無人機應用展示
2.鋰氫氧化型(Li-Hydride)固態電解質
Li-Hydride固態電解質因其在室溫下的離子導電率較低，應用範圍受到顯著限制，目前主要聚焦於對環境溫度要求較高的領域，例如太空探測與軍事用途等特殊應用場景。在製造層面，由於材料中涉及氫氣的高壓處理，其製程難度與安全性要求均高，使其在大規模量產上面臨挑戰。目前Li-Hydride系統仍處於早期研究階段，特別是在常溫條件下的電化學性能尚未達到實用門檻。不過，未來若能透過材料改質提升其穩定性與導電性，並擴展其在常溫環境下的適用性，Li-Hydride固態電解質仍有潛力成為高性能電池技術選項之一。
3.鹵化物型(Li-Halide)固態電解質
Li-Halide固態電解質具備優異的化學穩定性與不易燃特性，在安全性要求較高的應用場景中展現出良好潛力。相較於其他類型固態電解質，其材料對空氣與濕氣的耐受度更高，降低了儲存與操作的風險。然而，此類電解質的離子傳導率相對較低，不適用於如電動車等對高功率輸出有嚴格要求的應用場域；此外，其材料與製程成本偏高，也成為限制其大規模商業化的關鍵因素之一。目前Li-Halide系統的應用目標主要集中於醫療類微型裝置，如心律調節器、植入式探測器與體內追蹤器等，這些應用對電池的體積、安全性與穩定性要求極高，且對功率輸出的需求相對較低，較符合此類電解質的技術特性。
4.複合型(Composite)固態電解質
複合型為多項技術結合的固態電解質技術。在前述眾多材料技術路線中，實際要投入應用時皆有其明顯的優劣勢，以至於在推廣上有相當大的難度，而近年來的固態電解質技術有越來越多業者將兩項技術或多項技術進行結合進行開發，常見的如氧化物固態電解質與聚合物固態電解質進行複合，來彌補氧化物的機械強度弱以及高分子導電性能低等劣勢。據觀測已有不少氧化物或高分子體系的廠商投入開發中期望開創新局。
三、半固態電池技術發展路線
在固態電池的技術發展過程中，為加速商品化應用進程，部分中國大陸廠商選擇以半固態電池作為過渡技術路線。此類技術透過加入少量液態電解質，有效改善固態電解質與電極間接觸不良的問題，進一步提升離子傳導效率與循環穩定性。雖然電芯內仍含有部分有機液體，安全性尚不及全固態系統，但因製程相對成熟且性能表現穩定，因此成為業界實用化的重要階段。
目前半固態電池主要可分為三種技術路線。第一種路線以提升固態電解質的導離子能力與機械強度為前提，並透過表面塗布技術改善與電極的介面接觸，最後再填入約10~15%的電解液，以填補未完全密合的區域。第二種路線則是將細小顆粒狀的固態電解質與正極材料混合，形成所謂的「Catholyte」結構，擴大其接觸面積後，再以約10%的液體補強電極內部的傳導路徑。第三種路線則稱為「原位膠化法」，是將固態電解質溶解於低分子量聚合物中，再透過紫外線或熱處理進行聚合或交聯反應，形成具有彈性與連續傳導性的網狀結構。此種方法可使液體分布於整個電芯內部，甚至可應用於單一材料的表面塗層，且此技術液體含量可降低至10% 以下，具高度控制。
儘管不同技術路線各有優勢，但因仍含液態成分，鋰離子在系統內多仰賴液體作為傳導媒介，因此在高電壓、高溫與長時間循環條件下，仍面臨電解液揮發與消耗的問題。若液體耗損過快，將導致循環壽命明顯縮短；此外，當液體比例過低時，也可能因材料不穩定而促進鋰枝晶生成，使安全性與壽命表現受到挑戰。因此，液體含量的精準控制成為各家廠商技術開發的關鍵技術之一。
目前，中國大陸為全球投入半固態電池商轉應用最多的市場，已有多家業者推出搭載實績。如贛鋒鋰業與東風汽車、賽力斯汽車合作，將半固態電池搭載於E70與SERES-5車型；孚能科技則與嵐圖汽車合作；清陶能源則與哪吒汽車與智己汽車合作，應用於智己L6等車款；上汽集團則將其技術導入EXE181電動超跑；國軒高科的半固態產品則應用於高合汽車HiPhi X；蔚藍新能源則與蔚來汽車合作，已在ES6與ET7車型上進行道路測試，部分版本更具備單次充電達1000公里的續航能力。上述產品中，已有部分自2024年起正式進入市場，並預期在未來技術成熟後，進一步推進液態含量0%邁進，作為全固態電池的技術發展的過渡階段。
四、小結
隨著鋰離子電池技術逐步接近理論極限，固態電池已被國際視為下一代主流能源技術的發展核心，其在提升能量密度與安全性方面皆顯現出潛力，成為各國加速佈局的戰略重點。以目前主流的鋰三元與LFP電池而言，其重量能量密度約為290 Wh/kg與150Wh/kg，然而在高能量設計下仍存在熱失控風險。固態電解質有望取代傳統可燃液態電解液，藉由穩定界面、耐高溫等特性，解決安全性瓶頸，同時支持如高鎳 NCM(Ni > 90%)與鋰金屬負極等高能量密度材料的應用，使能量密度進一步推升至500~900 Wh/kg，為新一代動力與儲能應用奠定基礎。
目前全球固態電池的發展競爭相當激烈，但技術路線尚未完全定型。在眾多選項中，氧化物型與聚合物型固態電解質因具備相對成熟的製程技術與較低的技術門檻，被視為較有可能率先實現商業化的方案。兩者目前已開始在小型電子產品與車用試驗平台中展開導入驗證。此外，近年亦有部分廠商積極發展複合型固態電解質技術，透過將高分子材料與無機氧化物或硫化物進行複合，兼顧機械強度、導電率與界面相容性，展現出良好的技術潛力。這類系統，也被視為能促進全固態電池穩定導入的重要技術。
預期未來三至五年內，全球固態電池產業將進入技術轉折與產品導入關鍵期。從樣品驗證、試量產到供應鏈建立，國際廠商正逐步建立長期佈局，若關鍵技術如界面穩定性、固態電解質導電率與成本控制能有效突破，將有望影響現有液態鋰電池市場。
對我國而言，雖在車用電池整機與系統面發展尚處初期，但在材料端與關鍵製程設備方面具備發展潛力。目前已有部分臺灣企業投入聚合物型與複合型固態電解質材料的研發，並與國際廠商合作甚至送樣驗證。此外，隨著國內電動車、移動載具與儲能等產業逐步發展，未來若能整合國內需求並強化與車廠及國際電池業者的合作，可望提升我國在固態電池產業中的參與程度，並逐步提升能源自主性與產業應變能力。