增進穿戴裝置續航力　軟包裝可撓式電池技術崛起

在各方相當看好穿戴式裝置市場潛力下，不少新廠商在CES上推出更為大眾接受的外型與功能整合新品，形成百家爭鳴的局面，而後續產品價格逐步降低後，更可望刺激潛在顧客的接受度與購買需求，帶動穿戴式裝置在全球的技術與市場發展。

對於穿戴式裝置的未來市場，由於相關廠商尚須累積產品功能整合，以及搭配智慧型手機等不同使用模式的經驗，在短期內出貨數量預期將保持穩定成長的步調，而非像近年智慧型手機出貨量般的快速崛起。

圖1　2013～2025年全球穿戴式裝置出貨量分析

工研院IEK預估，2015年全球穿戴式裝置出貨數量可望超過四千六百萬具，較2014年呈倍數成長；到2020年時，穿戴式裝置硬體市場規模將突破每年兩億具之水準(圖1)。在此之前，硬體廠商較適合跨足不同軟硬體平台技術，或是同時兼營不同應用市場的廠商投入，在逐步累積功能整合與使用經驗下靜待市場起飛時機。

物美價廉成穿戴式電子設計圭臬

穿戴式裝置被視為電子業創新與市場成長的新動能，並且被期待在醫療照護、運動生理監測和智慧通訊等應用上累積市場規模與影響力，因此其市場發展特性與硬體規格演進等也成為相關廠商未來技術創新關鍵。

首先，穿戴式裝置強調貼近人體工學，因此產品設計上必須更為輕薄短小，在整機設計與零組件搭配上須針對重量與體積斤斤計較。此外，為滿足穿戴並服貼人體的需求，穿戴產品對軟性零組件、可撓式設計的需求也更為殷切。為滿足穿戴並服貼人體的需求。雖然穿戴式裝置並非全新的產品概念，但現有消費者大多以嘗鮮心態購買，因此預算上較為有限；同樣的，開發商也須以平價策略刺激消費者的購買率，使得穿戴式裝置在市場售價與衍生成本結構上，仍然面對與其他電子產品一樣的Cost Down壓力，凡此種種都影響現今穿戴式裝置的各項零組件選配與設計要求。

目前在市面上的穿戴式裝置，以智慧手環與智慧手表兩大類為最多。智慧手環多提供醫療照護、運動生理監測等應用功能，強調對於人體各項生理訊號與狀況進行即時而準確的監控，並即時回饋與提醒使用者。智慧型手表則除了各項生理監測功能外，還強調產品與智慧型手機各項功能的連動，成為智慧型手機的延伸產品，因此包含通訊、顯示、簡要運算等功能均須齊備；但在納入更多功能之際，也代表著使用時的功耗增加，而影響產品的續航力與電源供應，造成廠商的一大挑戰。

觀察現有市面上的穿戴式裝置多強調可連續使用數天的續航力，為達成此一規格，廠商必須採用低功耗與低電壓相關元件，如藍牙(Bluetooth)通訊、感測器融合(Sensor Fusion)等方案。以生理訊號監測為主的穿戴式裝置或手環為例，這樣的使用續航力尚可滿足需求，但隨著螢幕與顯示功能納入設計，裝置所需具備的功能與相對應零組件將更多，此時內建電池與電源供應方案就會逐漸產生不足之處。

鋰高分子電池為穿戴式設計主流

以目前應用於穿戴式裝置的電池技術進行討論，因產品安全性需求與設計考量，絕大多數市面上的穿戴式裝置現今仍然使用安全性較高的鋰高分子電池。

若是以監控生理訊號或運動健康照護需求為主的智慧手環類型產品，目前電池電容量大多在100毫安時(mAh)以下，其中僅有如三星(Samsung)Gear Fit因同時搭配主動式矩陣有機發光二極體(AMOLED)、六軸動作感測器等元件，因而設計採用210mAh電池容量(圖2)，但也因元件規格與電容量較高之故而使其售價超過200美元。

圖2　Samsung Galaxy Gear Fit產品與其電池圖

至於智慧手表部分，因其所需支援的通訊與顯示功能較多，所搭配的電池容量多在200mAh以上，另外在智慧眼鏡部分如Google Glass，設計之電池電容量更達570mAh，可見電池技術應用於穿戴式裝置產品時，電池容量上的不同需求特性之影響。

另一種穿戴式裝置用電池技術的討論面向，是從電池外型來做區隔，對於穿戴式設計來說，若是有更多樣化外型或多種規格的電池可供導入設計，可以發揮更多產品外觀創意，並更加貼近消費者潛在使用需求，避免因電池標準化外型受到局限。

突破系統架構局限　新形態鋰電池方案競出籠

為提升系統設計彈性與選配空間，已有廠商提出可利用小電池(Mini Cell)多顆並聯的方式彼此連接，或是曲面電池(Curve Cell)達成可彎曲之概念，抑或利用薄型化電池(Thin Battery)讓終端產品符合輕薄化設計趨勢。

另外，穿戴式裝置有必須貼近人體工學便於穿戴方便的需要，基於兼顧產品續航力、安全性與人體工學等多方要求的考量，也有廠商發展可撓式電池(Flexible Battery)，以做為穿戴式裝置中長期的電源解決方案。

針對上述新形態的鋰電池技術，以下將分別介紹：

小電池多顆並聯增加設計彈性

以小電池設計導入穿戴式裝置電池技術時，因為是業界已有的技術與尺寸，因此可以直接導入現有的穿戴式裝置產品應用，且在電池容量不足時，可以利用多顆小電池串並聯設計來增加產品使用續航力，如鋰離子電池目前領導廠商Samsung SDI的小電池產品，就是鎖定在智慧手環、智慧手表與微型攝錄影機三大應用市場，推出小型可串併之電池與曲面電池供下游顧客採用。

圖3　Panasonic CG-320電池與導入穿戴式裝置可能概念

Panasonic則在2014年10月推出圓柱型電池--CG-320，長2公分、直徑3.5毫米、重0.6克(g)、電池額定容量達13mAh，是業界最小的圓柱形鋰電池，也是針對穿戴式裝置市場而推出的特殊區隔產品(圖3)。當然在電池體積較小的限制下，電池能量密度無法如智慧型手機或筆記型電腦等動輒600Wh/L的高水準，也成為現有解決方案有待努力的重點。

運用軟包裝/極板堆疊技術　曲面電池提高蓄電容量

曲面電池的設計概念，可讓原先形態方正的鋰電池進一步提高設計彈性，符合穿戴式裝置人體工學要求，還可藉由電池內部極板收邊的設計，提高電池內部的空間利用率，將相同體積的鋰電池能量密度提高，因而吸引日韓電池大廠競相投入。例如LG化學即率先揭櫫曲面電池研發成果，並在2013年底時應用於集團智慧手表當中，同時也開始滲透至部分LG推出之手機機種與美系手機大廠產品中。

另一家韓系廠商Samsung SDI也積極發展曲面電池技術，以加速實現符合人體曲線弧度的穿戴式裝置、健康手環等產品；據悉，SDI也已在2013年將曲面電池導入商品化階段。目前該曲面電池技術採用三星自有之「V-Bending」極板處理技術，將電池極板堆疊後再一起彎曲成型封裝，由鋁塑膜做為包裝材料，可允許電池在沒有扭曲變形的前提下適度彎曲，進而在體積不變之下提高電池能量密度。

其他鋰電池開發商也開始跟進，並陸續推出因應穿戴式裝置需求的各類微型化、曲面電池技術。如韓國廠商RouteJD的曲面電池、不規則型態如半月型等封裝電池產品，標榜可視客戶需求客製化設計外型，並已進入量產階段，目前已針對穿戴式裝置、行動電源等應用出貨。

此外，台灣也有部分電池廠商長期在藍牙耳機等市場累積經驗與技術，近年將此種體積微小，但對於產品性能與安全性要求更高的小型鋰高分子電池、曲面電池等產品應用於穿戴式裝置當中，成功爭取Nike、索尼(Sony)和Jawbone等穿戴式裝置大廠訂單。此種特殊型態的軟包裝電池技術，是在眾多軟包裝鋰電池供應廠商當中有利差異化經營的一大特點，預料此種電池技術也會在未來成為各家廠商積極投入的兵家必爭之地。

薄型化電池有效降低系統厚度

在電子產品發展過程中，鋰電池與面板兩項零組件基本決定整機產品厚度，若是有更薄的鋰電池，就愈有機會減少系統厚度。截至2014年為止，已有若干韓系電池廠商推出低於2毫米(mm)厚度的極薄型鋰電池，強調可直接應用於穿戴式裝置做為電源供應，或是與表帶直接一體成型搭配使用。對於終端產品設計者而言，能有極輕薄的電池可供選擇，不但可將整機厚度降低，更可將不同面積的電池堆疊後填補整機側邊或圓弧狀空間等傳統方正外型鋰電池力有未逮之處，無疑是在產品內部空間錙銖必較的狀況下，理想的電池技術選項。

圖4　極薄化電池厚度與電池能量密度相對變化

不過，電池廠商在開發此一產品時，也面臨電池能量密度不足的技術問題。即便是日韓領導廠商使用的生產設備與材料組合時，2毫米左右的軟包裝電池也僅能達到約400Wh/L的電容量水準；當厚度降低至1.6毫米時，更同步下降至350Wh/L左右，僅現存鋰電池技術的一半(圖4)。此種能量密度在極低功耗的穿戴式產品才適用，且將局限系統元件和功能組合。

可撓式電池揭櫫中長期研發方向

為持續提高穿戴式裝置設計彈性，鋰電池廠紛紛將可撓式電池列為中長期技術發展重點。如Samsung SDI於2014年10月發布可撓式電池，並宣布該項可撓式電池技術當中最關鍵的全固體鋰二次電池技術將於2015年開始量產，就是為了配合集團新一代穿戴式裝置的設計架構。

LG化學更早在2013年9月於韓國發表其纜線電池樣品，並於同年在「Advanced Materials」期刊上發表相關成果，生產方式是將銅線塗上鎳及錫做為負極，再以塗上鋰鈷氧化物(LiCoO2)的鋁線做為正極，將銅線捲成螺旋狀後再以鋁線將其包覆，加上絕緣層後注入電解液，成為直徑只有數毫米且具彈性的纜線電池。此種概念源於現有的電池正負極極板堆疊結構，將其變化為同心圓螺旋概念，因此線材本身能夠彎曲、纏繞或打結，且不影響充放電效能，將有助下游系統客戶設計更新穎的智慧手表外觀(圖5)。

圖5　LG化學推出知Cable Battery概念與內部結構

在技術難度更高、更符合穿戴式裝置可撓曲需求的電池技術上，除日韓業者搶先布局外，台灣新創廠商也開始卡位，積極發展可撓式電池/全固體鋰二次電池等技術，希望在突破技術瓶頸與成功量產後，快速搶占穿戴式裝置市場先機。

掌握少量多樣特性　台電池廠有望異軍突起

穿戴式裝置開發業者須兼顧電池續航力與設計彈性，而諸如小型電池、曲面電池、薄型電池與可撓式電池等新興解決方案目前皆受限於市場需求和量產規模，在短期內的成長較為有限。主因係一線電池大廠評估投資的回收仍不明確，因此多先以半自動化方式進行生產，但這也正是中小型電池廠商的機會，可在一線廠商未大舉投入之際先行布局，何況此種較為聚焦的市場區隔，對於無法創造規模優勢區隔的中小型業者來說，也許正是其維持營運甚至獲利的潛力商機。

目前台灣已有若干廠商投入布局，將過往應用於藍牙裝置等電池技術與經驗累積，進一步套用到穿戴式裝置等新興應用，也成功與國際品牌大廠建立合作關係。因此新進電池業者投入穿戴式裝置或微型電子裝置相關電池產品與技術研發時，可思考公司原有相關技術與設計上有無投入的可能，同時謹記此一市場區隔需求數量少量多樣的特性，積極控管客製化生產所衍生的高成本等問題，將是投入此一新型電池產品和應用領域較穩健的做法。

至於穿戴式裝置電池市場發展，供應商仍須觀察整體終端產品的市場銷售量，一旦穿戴式裝置市場規模進一步擴大，成為電子產業中穩定而重要的產品區隔之一，電池廠也需要在更為創新的技術上聚焦突破，才能在市場起飛之際掌握商機。

(本文作者為工研院IEK資深產業分析師)