【LIB】拆解剖析鋰聚合物電池的製造成本

2021-02-13 燃料電池與氫能觀察

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來源：電子商情-業界 // 歡迎分享

鋰聚合物電池可說是無所不在，它們出現在手機、平板電腦、筆記本電腦，以及混合動力/電動車輛中；我們很少會想到它們，除非討論到一些消費性電子設備電池壽命似乎不夠長的問題，例如智能手錶。

現在的智能手錶就像某些筆記本電腦，電池續航力甚至不到一天，這讓我想到電池的問題，以及智能手錶、手機與平板電腦之間的電池是否有共通性？這也激發了TechInsights的好奇心：是否能以單一變量來估算電池的製造成本（即物料清單成本BoM）？

一個簡單的代理變量可能包含電池的質量或是其充電容量，而兩者都很容易測量。

下圖一是智慧型手機常見的軟包（pouch-type）鋰離子電池，是從拆開的iPhone 6 Plus手機所拍攝；與電池連接、內含控制電路的軟帶已經被移除，不過在圖二可以看到，這顆電池使用了兩顆Ricoh的電池保護IC，以及TI的鋰離子電池電量計。

圖一iPhone 6 Plus的鋰離子電池（來源：TechInsights）

圖二iPhone 6 Plus的鋰離子電池控制電路（來源：TechInsights）

我們的第一個問題是：這款電池特別嗎？

為了尋找答案，我們檢驗了過去這一年在TechInsights實驗室拆解過的數款智慧型手機、平板電腦電池能量密度（Wh/g）；而下圖三顯示，許多手機/智慧型手機電池的重量不到25公克，而平板設備電池則多於70公克。

圖三鋰電池容量（來源：TechInsights）

圖中的斜直線代表220 Wh/kg，與大多數電池的能量密度相符，從那些分散卻接近的小點可以看出，那些電池是採用非常類似的電池芯技術。而iPhone 6 Plus的電池重量為43公克，其能量密度表現並沒有非常顯眼，但既然是Apple的電池就值得觀察。

通過拆解探尋電池的物料清單成本

我們的下一個關注焦點，是電池的物料清單成本；為了這個我們得多知道一些電池的結構。圖四就是拆解iPhone 6 Plus的鋰電池，將電池外面的鋁箔剝開，露出內部封住電池芯的聚合物薄膜；進一步將該聚合物薄膜剝離之後，就露出了在外面的鋁製正極集電層（aluminum cathode collector），如圖五。


圖四將iPhone 6 Plus電池外殼切開（來源：TechInsights）

圖五鋁製正極集電層（來源：TechInsights）

顯微鏡下的iPhone 6 Plus鋰電池的剖面圖

下圖六是iPhone 6 Plus鋰電池的剖面圖，顯示其層狀結構。該電池內含11個正極（cathode），以及10個鋁製負極（anode），集電層是並聯的。負極與正極的電極，都各自以活性層塗布，然後一個個往上堆棧；隔膜（separator layer）插入在負極與正極之間，以避免短路，同時又能讓負極與正極之間的鋰離子相互傳遞。

圖七顯示的則是電池的側邊，正極集電層被焊在一起，形成電池的負極端點（anode battery terminal）；負極集電層則以類似的形式被帶出封裝外部。

圖六iPhone 6 Plus 鋰電池的剖面圖（來源：TechInsights）

圖七iPhone 6 Plus 鋰電池的正極端點（來源：TechInsights）

根據TechInsights 的拆解分析，iPhone 6 Plus的電池是採用氧化鋰鈷（lithium cobalt oxide，LiCoO2）作為正極，負極則是採用石墨（graphite），如圖八所示。

圖八顯微鏡下的iPhone 6 Plus電池斷面（來源：TechInsights）

顯微鏡下的電動車電池正極材料影像構造

LiCoO2是一種成熟的電池技術，常見於行動裝置電池，包括手機、平板設備與筆記本電腦，而這也解釋了前面圖三所顯示的、各種設備非常類似的能量密度原因。下表則顯示了一些其他正極材料，最下面的三種是電動車電池的正極材料，使用氧化鋰錳（lithium manganese oxide ，LMO）以及氧化鋰鎳錳（lithium nickel manganese oxide，NMC）。

常見的鋰離子電池正極材料與應用（來源：TechInsights）

石墨負極與氧化鈷正極擁有晶格狀結構，鋰離子在其中能可逆轉地插入（夾入）原子層之間的空隙；圖九是電池正極氧化鈷層的顯微鏡影像，負極的石墨層結構則顯示於圖十。

圖九顯微鏡下的氧化鈷正極層（來源：TechInsights）


圖十顯微鏡下的負極石墨層（來源：TechInsights）

能通過BOM清單估算電池製造成本嗎？

我們經常拆解分析智能手錶、智慧型手機或是平板、筆記本電腦等設備，並以加總零部件的方式來推算物料清單成本，那些報告通常包括電子組件與人力成本、利潤；因此我們藉由減去那些利潤，來估算電池製造的成本。

如圖十一所顯示，紅色的點狀顯示電池的物料列表成本約為每瓦小時0.37美元，而且也有一些分散的狀況，這是因為電池通常包含不同的搭配電子組件；每瓦小時0.37美元比前面的電動車鋰電池成本略低，但因為手機電池與車用電池採用的技術畢竟不太一樣，這並不令人驚訝，而且手機電池相對是比車用電池更成熟的技術。

圖十一行動裝置鋰電池成本估算（來源：TechInsights）

上圖中藍色的部分則是我們從Amazon調查的手機鋰電池零售價，這部分我們是選擇了價格最低產品，因為考慮這些產品應該是製造商與零售商利潤最小；鋰電池零售價約是我們估計的物料清單成本兩倍，這個結果似乎很合理。

所以回到我們最前面的問題，物料清單成本能使用最簡單的代理變量（proxy）嗎？我們認為答案應該是肯定的，從圖十一所顯示的鋰電池成本集中狀態，這應該是合理的；電池的成本也包含材料與人工，我們認為這部分也會隨著電池的容量大小而遞增。

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