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能源元件產業

能源元件產業係指電池製造之上中下游關聯產業,電池主要由三個元件組成,分別是電池芯、機殼與電源控制板。能源元件上游主要為電池原材料廠商,包括電極、電解液、隔離膜、罐體等原材料供應商;中游為電池芯;下游為電池模組廠商。目前熟知的電池種類有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰電池。

鉛酸電池是發展最早、生產最為成熟且以達到量產階段,因製作成本低,有瞬間放電強、使用溫度範圍廣的特點,但在能量密度、體積、重量與循環壽命表現不佳,因此鉛酸電池多為汽機車與工業設備的蓄電系統為主。而鎳鎘電池能量密度與壽命較鉛酸電池好,可達到大電流放電與耐過充電/過放電,但因有記憶效應,無法達到快速充電的目標,又鎘的毒性強,易造成環境汙染,加上每次充電前要確定已將電量使用完,是最早的一種手機電池,目前基本上是看不到了。而鎳氫電池待機時間比傳統鎘鎳電池長,放電迴圈次數多,放電深度與使用壽命佳,但仍有記憶效應的缺電,最好還是在電力用完後再充電,才能延長電池的壽命,惟因充電速度緩慢,其能量密度、高温特性皆較鋰電池差,無法做到輕薄,因此3C產品中已漸漸被鋰電池取代,但其較廉價,故多應用於電動腳踏車、油電混合車等動力使用;

而鋰電池是以鋰金屬作為陽極活性材料的電池,因鋰金屬具有較負的電位值與密度小的特性,所以搭配上適當的陰極便可構成具有高重量能量比、高放電電壓、放電電壓平穩、自放電率小、儲存壽命長、工作溫度範圍廣(-20~50℃)以及低溫性能佳的良好電池;鋰電池可以為一次電池也可以為二次電池。目前鋰電池分兩類,鋰金屬電池和鋰離子電池,最早「鋰電池」指的是內含鋰金屬的一次性電池,但由於此種電池鋰金屬的能量密度極高,後來改進為鋰離子二次性電池(電量放盡時為鋰離子,滿電量時結合為金屬鋰),鋰離子電池不含有金屬態的鋰,並且可以充電,可極大的滿足消費者的需求,可藉由充電重複使用,廣泛應用在各種電子3C產品上如手機、數位相機、筆記型電腦、平板等等。

隨著新能源汽車銷量逐年增長,對於鋰電池的需求量也不斷擴張,發展前景依然被看好,尤其是新能源汽車保持快速發展,鋰電池需求仍處於供不應求的狀態,國內的鋰電池企業將繼續致力於擴產工作;根據估計2017年鋰電池行業市場達到2300億元左右,到2020年行業市場規模將達到6000億元左右,鋰電池行業市場未來前景樂觀。

一、上游: 電池芯的主要原材料包括電極(含正極與負極)、隔離膜、電解液及罐體等四部分。原材料約占全部製造成本的六成以上,其中又以電極(占比約26%)、隔離膜(占比約23%))與電解液(占比約15%)為主要材料成本。目前全球電池之上游原料主要由日本廠商掌握,包括日亞化、日立化成、三菱化學、及日本電工等。

正極材料一般以錳酸鋰(LiMn2O4)、磷酸鐵鋰(LiFePO4)、鎳鈷鋰(LiNiCOO2)三種為主要材料,在正極活性物質中再加入導電劑、樹脂粘合劑,然後塗在鋁基體上;而就優缺點而言,鋰鈷最為普遍,不過原料來源缺乏;而鋰鎳的重量能量密度最高,可惜安全性差;鋰錳價格最便宜,但能量密度及高溫之熱穩定性差;因此目前以磷酸鐵鋰為主流材料,其同時具有鋰鈷、鋰鎳和和鋰錳的優點,且不含鈷等貴重元素,具有成本低、無毒、高功率、高容量的優點,兼具安全性與環保,漸成主流。預估業者將持續研發各種新材料的應用,未來可逐漸降低成本,由此可知,上游關鍵材料的自主掌握是影響電池性能最重要的關鍵零件,故自主掌握程度將成為國內業者發展鋰電池最迫切的需求。其中鈷金屬約佔正極材料成本約15%,而鋰高分子電池(Lithium Polymer Battery是指鋰電池內的電解質從液態電解質換成使用高分子電解質,液態電解質由於含有有機溶劑,使用上易有漏液以及爆炸的危險;而高分子電解質含有少量或不含有機溶劑,不僅提高電池的安全性,同時降低漏液以及爆炸的機率。)中的正極鋰鈷材料(LCO),鈷金屬約佔正極材料成本高達50%,又受鈷價創五年新高影響,因此2017年第二季鋰高分子電池漲幅超過20%。負極材料以碳材料為主,又分為石墨系與焦碳系,石墨系的重量能量密度高且材料本身的結構具有規則性,具平穩電壓功能,適用於充電器及3C電子產品。鋰離子需要電解質做為傳輸介質,因此需要電解液當作傳輸介質,其主要供應廠商為日商。而隔在正極和負極中間的膜片就是隔離膜,其主要作用就是讓離子通過並且阻隔原子,隔離膜的產品毛利率可維持在50%,附加價值相當高。其他電池相關材料還包括高性能的電池儲能材料(例如氧化鈷、氫氧化鈷、混和金屬氫氧化物、硫酸鎳等),以及太陽能電池的邊框填縫耐熱膠與灌注防潮等材料。鋰離子電池原材料因技術門檻高,臺灣地區目前除了罐體、導電碳以及少部分的電極材料與隔離膜由國內供應外,大部分電池芯之原材料仍需仰賴進口,以日韓為主,目前國內僅少數業者投入電池正極材料開發,自主供應比重低於30%,而負極材料供應比重15%。

二、中游: 電池芯的製造流程係經由混合、打漿、塗佈、乾燥、輾壓、分條等製作出正負兩極,再經組裝、灌電解液、封罐後產製完成。電池芯廠的量產規模與良率是競爭力來源,因電池芯的投資設備昂貴,毛利率僅落在兩成左右。目前電池芯主要的供應來源依然是日韓廠商,包括日本Sony、Panasonic、Maxell,以及韓國Samsung、LG等,中國大陸亦有幾家已達量產實力之廠商如比亞迪、比克、力神、欣旺等,臺灣電池芯的製造商目前尚處於量產初期,產能與品質相較於日韓廠商仍有相當之差距,無法有效整合上、中、下游,目前僅能鎖定利基市場的開發。而臺灣對電池芯的採購需求相當龐大,但國內的鋰電池模組廠商不願投入發展電池芯,中、上游廠商以及特用化學品業者也都是單獨跟海外電池芯廠合作的情況,因此無法匯集成產業聚落的效應,此種模式將無法實質上帶動國內產業鏈的成長。

三、下游: 位於下游的電池模組就是電池芯加上廠商所設計的電路板組合而成,智慧型電池模組管理與電池老化壽命偵測技術將是勝出關鍵;電池模組可分為單顆電池模組及串併聯電池模組,許多國外電池芯大廠亦同時生產電池模組,如日本的SONY、Panasonic、韓國的Samsung、LG,以及中國大陸的比亞迪、比克、力神等;下游的應用主要包括手機、筆電、數位相機、電動工具機、電動自行車、電動車等等,臺灣的電池模組產值於全球市占率在四成以上,應用多以3C產品為主;目前臺灣電池模組廠商多以供應筆記型電腦電池模組為主,使用鋰鈷或鋰高分子電池芯,以4到10顆電池芯串併聯組成電池模組,但隨著手持式裝置的體積逐漸以輕薄小為考量,估計未來市場都將會以單顆電池為主流。電池模組中設計良好的晶片,將可使電池使用更為耐久,且完成防止電池過熱與爆炸的危險,其獲利性較電池芯略高。

2017年因鈷金屬價格上漲創下近五年來新高,致使電池芯價格也跟著上揚15%~25%,主因是高溫合金需求穩定增長,加上電池領域正極材料廠商直接採購鈷金屬且電池需求旺盛,加上下半年為動力電池的需求旺季,又廠商趁機囤貨更為鈷價火熱行情再添一把火。

目前全球筆記型電池模組主要由臺灣、日本與韓國廠商供應,其中日本與韓國電池模組廠亦為電池芯供應商,均使用自家電池芯。而臺灣廠商為專業的電池模組廠,本身並無電池芯產能,且隨著電池模組市占率逐年提昇,而電池芯並無成長,因此電池芯的缺口將會逐漸形成。

現階段隨著全球4G行動通訊服務擴展,各手機品牌業者相繼推出新款機種,與各類行動裝置的普及,有助於提昇對鋰電池的需求。隨著穿戴裝置興起,相關廠商在電池技術的採用上,更需要使用安全性較高的鋰高分子電池。另外由於鋰電池接觸空氣或水就會立即故障,因此必須以鋁塑模或鋁罐包裝隔絕,但鋁材雖然有彈性,仍無法滿足可撓式設計的需求,因此在提升續航時間與產品造型等考量下,穿戴式裝置顯然還需要更為先進的電池技術。目前各國際大廠在電源設計上致力於縮小化研究,以提升電池續航力;具有任意彎曲、高延展性等特性的可撓式設計,才是最適合穿戴式裝置的電池技術,因此各國際大廠正積極研發體積更小、重量更輕與續航力佳的電池。

臺灣廠商在鋰電池產業布局主要集中於下游組裝業,電池芯全仰賴進口,臺灣廠商以研發、生產及成本優勢,穩占筆記型電腦應用鋰電池模組市場,隨著筆電與手機市場成長趨緩,目前臺灣廠商轉向於主攻消費性電子產品之市場,但市場規模仍小。臺灣廠商唯有積極朝向車用領域發展,因此現階段在發展車用鋰電池智慧管理模組、電動車電池模組的研發實力與產品品質,已相當受到國際車廠的肯定,包括德國BMW、法國Micro與中國大陸諸多車廠等,都是臺灣廠商合作的夥伴。

電池主要應用在NB、手機等3C用品為主,但未來電池產業的新一波需求,將會由電動車開始,再到儲能櫃,尤其各國推行潔淨能源之後,接下來就是儲能需求;因此未來五年將是電動車起飛的時代;而電池是電動車的最大成本,隨著電腦技術的快速進步,未來自駕車將能在十年內真的上路,從Uber等共乘服務App的投資熱潮,到不斷冒出頭的連結電動車與各類App的軟體開發商,即可看出改變的開始。鋰電池需求的大爆發,不只是電動車要用,電力公司也會安裝巨型儲存系統儲存風能和太陽能。2016年Tesla生產將近8.4萬輛電動車,且預計2018年生產50萬台。又全球約55%的鋰電池生產來自中國,美國僅佔10%,預估中國2021年市佔率將成長到65%,主因是中國政府視鋰電池產業是2020年的國家重要戰略之一。而預估2021年全球電池容量將從現在的103 GWh 成長一倍達 273 GWh,這是一個龐大的商機,也因此許多廠商正積極投入中。

隨著國內車廠相繼投入電動車的開發,許多應用於油電混合或純電動車輛之大型鋰離子電池試產計畫已於運作中。臺灣在鋰電池產業布局近乎完整,上游因專利卡位與技術材料不足而掌握度較低,發展速度較國際緩慢,需仰賴國外進口外,但廠商若能致力改良材料,研發鋰電池正極材料與電解液,將可突破障礙。且現階段國際高功率電池上還沒有統一的標準與規範,技術上百家爭鳴,若國內廠商若能上下游相互整併合作,充分利用國際市場來強化自己,與歐美客戶整合,即便沒有完整的產業鏈,臺灣廠商依然還是能夠在電池產業找到新的機會點。因臺灣廠商目前都有投入大功率鋰電池的產品開發,也都已提供給國際電動車廠使用,未來將是電動車時代開始,因此對電池產業的未來將有很大商機。

雖然臺灣電池模組廠商客戶來源結構穩定,但過往我國在能源元件最主要的電池模組業務出貨上,長期依賴IT應用市場,因而在筆記型電腦、平板電腦等市場出現總體銷售衰退時,將受其出貨減少影響;加上在開拓新一代潛力應用上仍無法在短期內快速切入創造產值,故在總體產值上與IT應用市場出貨消長高度連動,因此一旦產品成為步入成熟期後產值也隨之衰退。台廠唯有積極轉型切入高毛利的工業應用與動力電池市場方有新契機,唯獨此應用市場需要相關技術經驗累積與時間,短期要取代原有消費性電子產品出貨比重仍有差距。