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ProLogium Lithium Ceramic Battery 技術演進
電池創新
Jan 23, 2024
從 Gen 3、Gen 3.5 到 Gen 4 All-Inorganic Superfluidized Solid-State Lithium Ceramic Battery
輝能（ProLogium）Lithium Ceramic Battery 的技術演進，並非以單一材料的更替來劃分世代，而是在既有可規模量產的平台上，透過電解質材料、界面工程、陶瓷隔層與電芯架構的協同發展，持續提升安全性、電性性能、能量密度、製造效率與成本競爭力。
從 Gen 3、Gen 3.5 到 Gen 4，這條技術路徑超越了單純由液態走向固態的材料轉變：首先建立可量產的製造基礎，再推進全固態化，進一步將安全機制從被動防護提升至主動介入電芯化學反應，並在此基礎上兼顧高性能與高能量密度，同時降低製造成本。
這一演進的核心，是逐步突破下一代高電壓、高總能電池系統長期面臨的三組關鍵取捨：安全性與能量密度之間的平衡；高能量密度與快充、高功率及低溫性能之間的矛盾；以及次世代材料性能與規模製造、合理成本之間的落差。輝能的目標，是透過材料與製造架構的整合，讓這些原本相互牽制的要求，逐步在同一技術平台上實現。
一、Gen 3：建立可量產的複合固態電解質與陶瓷隔層平台
Gen 3 採用由氧化物固態電解質與固態聚合物電解質（Solid Polymer Electrolyte, SPE）組成的複合固態電解質（Composite Solid-State Electrolyte）。由於純氧化物固態電解質在未經高溫燒結時，固–固界面接觸不足，離子傳輸面臨較高的界面阻抗，Gen 3 因此採用富含溶劑的 SPE 體系，改善界面潤濕與離子傳導。這也意味著，儘管已大量導入固態材料，Gen 3 在嚴格的材料定義下仍屬於準固態系統（Quasi-Solid-State System），尚未達到全固態。
Gen 3 的關鍵突破，也在於製造架構。輝能利用複合電解質，以濕膜塗佈方式直接在極層上形成陶瓷隔層，省去傳統 PE／PP 高分子隔膜基材。這項設計簡化了製程、提升生產效率，並適用於 Roll-to-Roll 製造，可支援多層、大面積與大容量電芯，為具備高串聯數與高總能量的動力及儲能系統建立規模化製造基礎。
因此，Gen 3 的重要意義，在於將材料研發轉化為可量產的電芯架構，完成輝能建立固態電池量產平台的第一個關鍵階段。
二、Gen 3.5：降低有機成分，實現大型高能量密度全固態電芯
Gen 3.5 延續 Gen 3 的既有量產平台，進一步大幅降低有機溶劑含量。這不僅減輕了整體電解質重量，也提高了陶瓷隔層的電子絕緣能力，使隔層能夠進一步減薄。電解質減重與隔層減薄，共同提升了電芯的重量與體積能量密度。
為改善界面接觸，Gen 3.5 的電解質仍保留極微量溶劑，但這些溶劑已高度侷限於複合電解質的微結構中。在中國固態電池相關標準採用的 120°C、六小時真空失重測試中，五顆送測電芯中抽檢的三顆，重量損失均低於 0.05%，因此依據 GB/T 43568-2026 的分類原則，可歸類為全固態電池。
透過上述改進，Gen 3.5 的大型 184 Ah 電芯達到 TÜV 驗證的 381 Wh/kg 與 903 Wh/L，顯示輝能已能在大型電芯上實現接近 400 Wh/kg、900 Wh/L 等級的高能量密度。
三、Gen 3.5 的限制：能量密度提高，但界面阻抗與安全性仍未根本解決
Gen 3.5 雖然顯著提升能量密度，但有機溶劑含量降低，也削弱了界面潤濕能力，使界面阻抗較 Gen 3 增加。在約 50–55°C 的相同測試溫度範圍下，5–80% SOC 快充時間由 Gen 3 的約 8.5 分鐘延長至 Gen 3.5 的約 12 分鐘。儘管更薄的隔層縮短了離子傳輸距離，整體界面離子傳輸能力仍略為下降，因此快充表現反而弱於 Gen 3。
在高溫耐受方面，Gen 3 與 Gen 3.5 均已有良好表現，例如在 100–130°C 儲存兩小時後，容量仍可恢復至接近 100%。然而，高溫工作能力與完全避免熱失控，是不同層次的安全要求。
氧化物固態電解質（Oxide SSE）本身不可燃，也不會產生可燃物質，但兩代系統中的固態聚合物電解質（SPE）與微量有機溶劑，在高溫下仍具有可燃性，可能分解產生可燃氣體，或與高氧化態正極及高還原態負極發生界面反應。因此，即使 Gen 3.5 的有機成分已降至極低，在標準 ARC 測試中仍未達到「從室溫至 300°C 無熱失控」的表現。這項限制，成為 Gen 4 開發的根本起點。
四、Gen 4 的核心理念：從不可燃材料走向主動安全
Gen 4 的開發，是從化學系統的本質安全重新思考電池。不可燃固態電解質與陶瓷隔層提供重要防護，其中陶瓷隔層沒有傳統高分子隔膜的熔化問題，能在高溫下維持電子絕緣與尺寸穩定性，同時具備高機械強度及抗壓縮能力。
然而，輝能逐漸認識到，不可燃電解質與陶瓷隔層本質上仍屬於被動式安全防禦。電芯熱鏈鎖反應與熱失控的核心來源，是內部具有高度化學能的正、負極活性材料，以及它們與電解質形成的界面。因此，安全設計必須進一步從被動防護走向主動安全。
理解下一代電池安全性的首要關鍵，在於區分材料狀態、可燃性與系統安全：固態不等於不可燃，全無機也不等於本質安全。
五、為什麼傳統固態電解質仍無法從根本解決熱失控？
目前主流固態電解質包括氧化物、硫化物與聚合物體系，其中本質不可燃的主要是氧化物。聚合物電解質本身具有可燃性；硫化物電解質在高溫或高氧化狀態下，也可能產生硫、H₂S 或其他可燃、反應性物質。
此外，在高氧化電位下，部分硫化物體系可能出現電子洩漏或副反應，引發額外的氧化還原反應。在極端條件下，若同時伴隨鋰析出或金屬鋰形成，還可能與高氧化態正極發生劇烈的二次反應，甚至形成類似鋰熱劑反應（lithium thermite-like reaction）的高溫反應。
因此，採用固態電解質並不等於不可燃，更不代表整顆電芯能避免熱失控。
即使是不可燃的氧化物固態電解質，也面臨界面接觸的限制。未經高溫燒結時，其固–固界面接觸往往不足，因此實際電芯仍需採用複合固態電解質，透過固態聚合物電解質（SPE）或微量有機溶劑改善界面，卻也因此重新引入有機可燃成分。
雖然可在正、負極表面施加約 10–20 nm 的人工 CEI／SEI 或氧化物塗層，但在高溫、長時間暴露或強烈界面反應下，很難保證這些奈米級保護層始終完整。一旦出現局部鋰析出、微短路或其他反應「火種」，電芯內部仍可能形成連續的放熱反應。
因此，真正需要回答的問題，不只是「電解質會不會燃燒」，而是「當電芯內部出現異常反應時，能否主動終止熱鏈鎖反應」。
六、為什麼高電壓、高總能電池需要電芯層級的主動安全？
電池與油箱或儲氣槽有本質上的差異。後者是儲存能源的容器（Energy Container），在沒有外部火源時，一般不會自行燃燒；電池則是電化學能量反應器（Electrochemical Energy Reactor），每次充放電都持續進行氧化還原、離子遷移，以及界面生成與分解等化學與電化學反應。因此，在長期循環中，無法保證每一次反應都完全一致。
一旦局部出現鋰析出、微短路、電解質分解、正負極界面副反應或高溫，便可能啟動自加速的放熱鏈鎖反應。到了這個階段，外部電池管理系統（BMS）幾乎無法直接介入電芯內部的化學反應，這正是電芯層級主動安全的重要性所在。
這也有助於理解，為何大型儲能系統即使很少受到撞擊，仍持續發生火災。2026 年 6–9 月間，歐美市場已發生多起大型電池儲能系統相關火災事件。其背後的核心問題在於，大型電池系統不能只被視為儲存能源的容器，而必須被理解為長時間持續運作的高能量反應器。
七、即使 LFP 也無法完全消除大型儲能系統的風險
LFP 的橄欖石結構與穩定磷酸根，使其在高溫下較不易像高鎳正極一樣大量釋氧，因此單顆電芯的熱失控強度通常較低。然而，這並不代表大型系統沒有火災與熱蔓延風險。
在高電壓正極界面，有機電解液仍可能分解產生低分子碳氫化合物；在高還原性負極界面，也可能產生氫氣（H₂）等氣體。由於 LFP 電芯內部缺乏大量氧氣，這些可燃氣體未必會立即完全燃燒，而可能持續累積，最終促使安全閥開啟，或在極端情況下破壞電芯外殼，噴出大量高溫可燃氣體。
這些氣體接觸外部空氣中的氧氣後，可能形成噴射火焰，進一步加熱鄰近電芯與模組，引發熱蔓延。因此，對高總能量儲能系統而言，僅降低單顆電芯的熱失控強度，仍不足以全面解決系統安全問題。
八、ProLogium 的判斷：真正的主動安全必須內建於電芯化學系統
輝能約十年前便開始探討氧化物固態電解質（Oxide SSE）與固態聚合物電解質（SPE）架構的安全極限。從第一性原理出發，真正需要控制的核心，是具有高反應活性的正、負極活性材料，以及電極與電解質之間的界面，而不只是隔層本身。
因此，輝能認為，要解決高電壓、高總能系統的安全問題，除了陶瓷隔層與不可燃材料提供的被動防護，還必須導入電芯層級的主動安全機制（Cell-Level Active Safety Mechanism）。當內部出現異常高溫或反應「火種」時，系統本身應能主動使最具危險性的正、負極活性材料轉入較穩定狀態，直接切斷後續熱鏈鎖反應，而非等到電芯進入不可逆熱失控後，才依靠 BMS、隔熱材、防火材或電池包層級的抑制措施被動處理。
理想的下一代電池，應在提高能量的同時具備控制自身反應的能力，成為「可控制的高能量反應器」，而不是「潛在的高能量炸彈」。
九、2017–2021：ASM 主動安全材料的建立
基於上述理念，輝能在約 2017–2021 年間，歷經約五年的研究，找到數種能在特定條件下穩定正、負極活性材料的主動安全機制材料（Active Safety Mechanism Materials, ASM Materials）。當電芯內部進入異常高溫區域時，這些材料可被釋放或活化，穩定高氧化態正極與高還原態負極，降低或終止後續劇烈放熱反應。
然而，Gen 3 的複合固態電解質仍含有固態聚合物電解質（SPE）與少量有機溶劑。即使 Gen 3.5 已將溶劑含量降至極低，SPE 與有機成分在高溫下仍可能產生可燃氣體。因此，要建立本質上更安全的電芯化學系統，還必須進一步完全移除 SPE 與有機溶劑。
十、從鹵化物／鹵硫化物到全新第三類電解質
為實現完全無機化，輝能曾將無機 ASM 材料與其他無機材料合成，開發出多種鹵化物（Halide）與鹵硫化物（Halo-Sulfide）固態電解質，並僅選擇在極端高溫、甚至約 750–900°C 的 gun-fire 條件下仍不燃燒的材料作為候選。
然而，傳統固態電解質仍有難以同時克服的限制。許多無機固態電解質需要極高的製造壓力，電芯甚至模組在運作時也需持續外加堆疊壓力；一旦壓力不足，離子傳導與界面接觸便大幅下降。此外，真正不可燃的鹵化物與鹵硫化物電解質，其離子導電率往往仍低於高導電硫化物體系。
這促使輝能探索新的電解質狀態，希望同時具備高離子導電率、不可燃性、高鋰離子濃度、高鋰離子遷移數與自適應界面，並能以低壓製造、不依賴高堆疊壓力，在合理成本下實現規模量產。
最終，輝能利用特殊配體（Ligand），將固態電解質轉化為配位化合物／配位錯合物（Coordination Compound／Coordination Complex），形成全新的動態配位網絡狀態（Dynamic Coordination Network, DCN）。這既不是傳統液態溶液電解質，也不是剛性固態電解質。輝能將其稱為超流態無機電解質（Superfluidized Inorganic Electrolyte, SFIE），亦稱 Superfluidized Inorganic Solid-State Electrolyte，可視為傳統液態與固態電解質之外的一種新狀態。
十一、SFIE 的六項核心特性
1) ASM 主動安全
SFIE 的材料系統源自 ASM 主動安全概念。當溫度升至約 120°C 以上的特定區間時，系統可釋放或活化 ASM 材料，穩定正、負極活性材料，直接介入可能形成的熱鏈鎖反應。安全機制因此從「隔層不熔化」與「電解質不燃燒」，進一步提升至「電芯化學系統主動終止熱鏈鎖反應」。
在標準 ARC 測試中，SFIE 搭配陶瓷隔層，無論在密閉或開放系統下，均可實現從室溫至 500°C 無熱失控。依輝能目前的測試結果，其高溫安全穩定性甚至優於部分鎳氫電池（NiMH）系統。
2) 真正不可燃的化學系統
SFIE 不僅本身不可燃，在高氧化與高還原電位下，也不會像一般有機電解液、固態聚合物電解質（SPE）或部分硫化物電解質一樣，大量產生可燃氣體或高度反應性的副產物。因此，其目標超越了單純的不可燃電解質，而是建立不可燃的電化學系統。
3) 極高離子導電率
SFIE 的室溫離子導電率可達 50–60 mS/cm，約為傳統有機液態電解液與 LGPS 類硫化物固態電解質的 5–6 倍、鹵硫化物／複合固態電解質的 30–50 倍，以及純氧化物固態電解質的 100 倍量級。這使 SFIE 能支援厚電極與高面容量設計，無須以犧牲功率或快充性能換取高能量密度。
4) 高鋰離子遷移數與極低極化
SFIE 的鋰離子遷移數約為 0.7–0.9，雖低於理想單離子固態電解質的理論值 1，卻遠高於一般有機液態電解液與 SPE 的 0.2–0.4。加上其鋰離子濃度遠高於傳統濃度約 1–1.6 M 的溶液型液態電解液，可大幅降低濃度極化，兼顧高能量密度與高功率。
例如，在 5.2–6.3 mAh/cm² 的高面容量下，仍可實現 5–80% SOC 不超過 5 分鐘、10–80% SOC 約 3 分鐘的快充，以及高倍率充放電。即使在接近 20C 的條件下，溫升仍可控制在約 2°C 以下，大幅緩解厚電極、高面容量與快充之間的取捨。
5) 動態配位網絡形成自適應界面
SFIE 的動態配位網絡（DCN）賦予其特殊的非牛頓流變行為。受到應力或剪切力時，黏度下降，使其容易滲入電極孔隙並接觸活性材料界面；外力消失後，則重新形成由複雜配位鍵構成的無機凝膠狀網絡。因此，SFIE 同時具備液態般的界面適應性，以及固態般的離子結構與濃度，這也是「Superfluidized」命名的核心。
這項特性也帶來製造優勢。傳統硫化物與鹵化物固態電解質，往往需在電極製造初期混入極層，且大部分製程須在嚴格的乾燥室環境中完成。SFIE 則可利用其超流態特性，在製程後段導入並滲入電極結構，無須讓整條電極產線全程維持極端乾燥條件，從而大幅降低製造複雜度、乾燥室資本支出、能源消耗與生產成本。
6) 接近傳統液態電解液的成本結構
SFIE 不需要大量使用 La、Ge 等高價稀有元素，也不依賴 Li₂S 等昂貴且高反應性的前驅物。超流態製程可使用純度約 98–98.5% 的工業級前驅物，並透過製程本身完成純化，使最終電解質達到約 99.99% 的電池級純度要求，大幅降低原料純化成本。
依輝能目前的成本模型，SFIE 有機會成為少數成本接近傳統有機液態電解液的次世代無機電解質。相較於典型 LGPS 或 LLZO 類固態電解質，其材料成本甚至可能僅為其約 2–5%。
十二、SFIE + Ceramic Separator：為高電壓、高總能系統設計的平台
SFIE 搭配陶瓷隔層的意義，超越了另一種固態電池設計，旨在實現三項目標：
1) 均衡的電池性能
兼顧安全性、能量密度、快充、高功率與低溫性能。
2) 可規模化製造
無須極端高壓製造，也不需要在模組運作時持續施加額外外部壓力。整條產線亦無須依照傳統固態電池乾式製程重新設計。
3) 合理成本
在材料、設備、廠房與生產效率方面，提供逐步接近既有鋰離子電池產業經濟性的路徑。
十三、從消費電子走向高電壓、高總能系統
傳統有機碳酸酯電解液搭配 PE／PP 隔膜，是成熟且成功的電池系統，未來仍將長期應用於智慧型手機、筆記型電腦、穿戴裝置及一般消費電子產品等串聯電芯數較少、總能量較低的系統。
然而，當應用擴展至電動車、航空、船舶、重型運輸、資料中心備援電力與大型儲能系統，串聯電芯數、電壓與總能量均大幅提高，設計重點便不再只是單顆電芯的能量密度。這些系統對本質安全、熱蔓延控制、高功率與長期電化學穩定性，有著截然不同的要求。
因此，輝能認為，SFIE 搭配陶瓷隔層，是從化學體系與電化學架構的設計之初，就針對高電壓、高總能應用打造的電芯平台。
十四、Gen 4.1：SFIE 與既有陶瓷隔層的整合
Gen 4 的初期版本 Gen 4.1 已導入 SFIE。由於這種全無機電解質不適用於傳統 PE／PP 隔膜，SFIE 與陶瓷隔層成為高度互補、彼此依存的技術組合。
然而，Gen 4.1 初期仍沿用 Gen 3／Gen 3.5 的複合陶瓷隔層，由氧化物固態電解質（Oxide SSE）與固態聚合物電解質（SPE）組成，其離子導電率明顯低於 SFIE。因此，即使 SFIE 本身具有極高導電率，整體快充能力仍受隔層限制，5–80% SOC 充電時間約為 6.4 分鐘。此外，複合陶瓷隔層的材料與製造較為複雜，成本也相對較高。
十五、Gen 4.2：多孔無機陶瓷隔層 + SFIE
Gen 4.2 進一步重新設計隔層架構，以多孔無機陶瓷隔層取代原有的氧化物固態電解質（Oxide SSE）與固態聚合物電解質（SPE）複合隔層，並將 SFIE 導入陶瓷微孔中。
這項設計保留了陶瓷隔層的物理隔離、高溫穩定性、電子絕緣、機械強度與不可壓縮性，同時利用 SFIE 的極高離子導電率，顯著提升隔層的離子傳輸能力。目前隔層離子導電率可達 Gen 4.1 的約 20 倍，使 5–80% SOC 快充時間由約 6.4 分鐘縮短至 5 分鐘以內。
此外，Gen 4.2 也降低了隔層材料與製造的複雜度，進一步改善成本
十六、整體技術演進的真正意義
回顧 Lithium Ceramic Battery 的發展，輝能的技術演進著重於逐步突破過去被視為無法避免的取捨，讓多項性能與製造要求能夠同時實現。
Gen 3 解決了固態化學與規模量產之間的平衡，建立可量產的複合固態電解質與陶瓷隔層平台。Gen 3.5 則進一步兼顧高能量密度與大型電芯製造，透過降低有機成分、減輕電解質重量與減薄隔層，實現 381 Wh/kg、903 Wh/L 的大型全固態電芯。
Gen 4 的核心突破，是透過 SFIE 與 ASM 主動安全機制，緩解高能量密度與安全性之間的取捨，將安全從依賴不可燃材料的被動防護，提升至電芯化學系統內的主動介入。同時，藉由 50–60 mS/cm 的離子導電率、0.7–0.9 的鋰離子遷移數、高鋰離子濃度與 DCN 自適應界面，兼顧高能量密度與電性性能，使厚電極、高面容量及極快充放電得以同時實現。
在製造成本方面，Gen 4 利用低成本前驅物、超流態製程純化、低壓製造，以及無須全線採用超乾燥製程的優勢，讓次世代無機電解質的成本有機會逐步接近傳統有機液態電解液。整體而言，這條技術路徑追求的是性能、安全與製造經濟性的共同提升，而非任何單一指標的極值。
結論
輝能 Lithium Ceramic Battery 的發展，超越了從液態走向固態的材料轉變，逐步從被動安全走向主動安全、從單一性能最佳化走向整體系統平衡、從實驗室固態材料走向規模量產，並將高性能但昂貴的次世代技術，推進為具商業競爭力的電池平台。
Gen 3 建立了可量產的複合固態電解質與陶瓷隔層架構；Gen 3.5 進一步降低有機成分、減薄隔層並提升大型電芯能量密度，奠定大型全固態電芯的量產基礎。Gen 4 則透過 SFIE、ASM 主動安全機制與陶瓷隔層，重新定義高電壓、高總能電池的材料與安全架構。Gen 4.2 再以多孔無機陶瓷隔層搭配 SFIE，進一步降低隔層離子阻抗，使安全、高能量密度、超快充、高功率、低溫性能、可製造性與成本達到更完整的平衡。
輝能的終極目標，是建立真正適合下一代高電壓、高總能應用，兼具安全、高能量、高功率、規模量產能力與成本競爭力的電化學平台，而不只是證明固態電池優於液態電池。SFIE 搭配陶瓷隔層，是這套平台的核心，也體現了 Gen 4 Lithium Ceramic Battery 技術的根本意義。它凝聚了輝能二十年的技術積累與電池開發哲學，將材料、安全、性能與製造串聯為完整閉環。
