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在新冠大流行背景下，汽車市場整體表現出萎靡態勢。然而，全球各個市場的新能源汽車銷量卻持續呈指數式增長，其中歐洲和中國引領全球市場，2020年新車注冊量分別高達140萬輛和110萬輛。歐洲新能源汽車的市場份額同樣未受疫情影響，純電動汽車 (BEV)、插電式混合動力汽車 (PHEV) 和燃料電池電動汽車 (FCEV) 占據了歐洲汽車銷量的10%。與此同時，隨著全球需求和供應的增長，新能源汽車的成本正在降低。 在關系到新能源汽車何時得到大規模應用的各個方面中，成本限制因素即將占據主導地位。對于FCEV而言，如果氫氣成本能夠從目前的6.50美元/千克降至1.50美元/千克，那么就可以顯著促進這項技術得到應用；而BEV和PHEV的普及則與動力電池組的成本息息相關，畢竟它至少占據了整車總成本的30%。不過，在汽車需求量呈指數式增長的同時，每千瓦時 (kWh) 電池容量的成本也在指數式降低，2020年末已低至137美元/千瓦時。根據BloombergNEF估計，當這一數值降至100美元/千瓦時后，新能源汽車的成本將與汽油車持平。 雖然HCEV和BEV孰優孰劣的爭論遠未終結，但后者極有可能率先取得市場主導地位，畢竟大多數人所需的小型汽車并不需要容量大到能夠驅動重型卡車的電池。然而，即便在電池這個細分領域中，也不存在明確的最佳技術路線。盡管鋰離子 (Li-ion) 電池占據著市場主導地位，但這并不妨礙其他電池化學技術的存在，它們在技術層面上甚至可能比鋰離子電池更優秀。 現在，鋰離子電池的成本優化空間收縮殆盡，這正是其他電池化學技術實現創新發展、奪取市場份額的一大機遇，其中的固態電池更是有望成為汽車動力電池的主流技術路線。本文將對固態電池技術進行介紹，并將其與當今市場上的其他主流技術進行比較。 鋰離子電池和其他主流技術 目前，大多數汽車動力電池都采用液態的鋰離子電池技術，通過鋰離子在電極之間游走來實現充電和放電。和手機電池相比，汽車動力電池的規模要大得多，鋰的使用量可達前者的10000倍，這大大提高了電池行業對鋰的需求量，甚至推高了鋰的價格。然而，鋰離子電池并非十全十美，因而電池制造商也在其他技術上有所投入，這些技術包括鎳氫 (NMH) 電池、鉛酸電池、超級電容和固態電池。 鋰離子電池 新能源汽車制造商青睞鋰離子電池技術的主要原因之一，在于它具有較高的功率質量比。沉重的組件會顯著降低續航能力，因為在每次充滿電后，都會有太多的能量消耗在啟動和停止車輛上，而不是讓車輛開出更遠的距離。此外，鋰離子電池具有很高的能量密度，在較高溫度下的性能也好于其他技術。鋰離子電池之所以在消費電子行業得到廣泛應用，一部分原因也是出于其高能量密度。 電子產品發展至今，尺寸越來越小，同時消費者也希望每次充電后能使用更長時間，這就推動著電池能量密度不斷提高。現在，鋰離子電池的能量密度可達鎳氫電池和鉛酸電池的2.5倍以上。此外，鋰離子電池是可回收的，這使之成為注重環保的消費者的理想選擇。 鋰離子電池由以下部分組成： 陰極：由鈷、鎳或錳制成，決定了電池的容量和電壓 陽極：由石墨或硅制成，使電流能夠流經外部電路 電解液：含有鹽類和其他添加劑，將離子從陰極轉移到陽極，這就是“鋰離子”電池的名稱由來（鋰以負離子的形式攜帶電子移動） 隔膜：防止陽極和陰極之間直接接觸 雖然鋰離子電池是一種成本較低并且具有技術優勢的解決方案，但在需求量暴增，并且原材料價格受通貨膨脹影響的情況下，其成本呈上升趨勢，價格難以降低。此外，它在溫度變化過大或發生劇烈撞擊時存在鼓包的風險；由于采用液態電解質，在強烈撞擊下可能會泄漏。而且，鋰是一種堿金屬，化學性質非常活潑，并且高度易燃，這又是一層需要消除的重大不安全因素。 鎳氫 (NMH) 電池 鋰離子電池已成為純電動汽車 (AEV) 的標配，而鎳氫電池則更適合用于混合動力汽車 (HEV) 和插電式混合動力汽車 (PHEV)。雖然鎳氫電池的壽命比鋰離子電池或鉛酸電池更長，但它的化學性質也帶來了明顯的缺點。與鋰離子電池相比，鎳氫電池的價格更低，但在不使用時的自放電率較高，而且在較高溫度下工作時會產生大量熱量。這種過度發熱會降低續航能力，縮短使用壽命。這種技術還存在氫流失的風險，這是制造商和消費者都必須監測和控制的。 鉛酸電池 在液態電池中，鉛酸電池的技術性能最接近鋰離子電池，但通常它只用作研究用途或權宜之計。此類電池的低溫性能不佳，難以在全球各類氣候條件下推廣，使用壽命也較短。消費者當然不希望以高于預期的速度消耗掉整車30%的成本，但這項技術仍然提供了一種安全、廉價、成熟的（短期）補充解決方案。 超級電容 與鉛酸電池一樣，超級電容也是儲能的次要選擇。不過，它們的主要區別在于后者能夠幫助電池平衡負載，在需要時吸收多余的能量或提供能量。這種靈活性對于二次儲能電源至關重要。 在純電動汽車應用中比較鋰離子和固態電解質 從上述比較中，不難看出液態電解質方案的贏家依然是鋰離子電池。但這并不是最終的結果；如上所述，鋰離子很容易因需求激增而導致成本上升，并且易燃液體起火也是一個有待改善的問題。安全是電動汽車激發公眾信心的最關鍵成功標準之一，如果一項新技術有望加強安全功能，行業和安全監管機構一定會表示歡迎。 固態電池（由鋰金屬組成）就解決了鋰離子電池最緊迫的安全挑戰。它們的穩定性更高，能量密度也比鋰離子電池更高，可燃性更低。此外，固態的電解質材料改善并延長了動力電池的續航能力，充電更快，并且可以使用現成材料制造。 推廣應用面臨的阻礙 固態電池是汽車動力電池的未來。然而，要想大規模采用這項技術，電池廠商依然需要解決一系列問題。目前固態電池尚缺乏大批量生產所需的資本投入，開發成本相對較高，因而通過降低成本來鼓勵消費者購買采用固態電池的汽車，就成為了一件至關重要的事情。 固態鋰電解質材料可能會存在間隙，這一問題在BEV應用中會降低電池的性能和使用壽命。此外，固態電池還存在容易開裂的問題，并且要獲得最佳性能的話，最好在華氏140度（60攝氏度）下充電。 與任何正在開發的材料一樣，固態電池制造過程的效率是一項關鍵要素。迄今為止，固態汽車動力電池尚未實現量產，制造商也缺乏有關固態電解質材料的經驗，因而勢必會在制造過程中遇到各種挑戰，這會顯著阻礙這項技術得到大規模運用。如果發生制造問題，還可能導致動力電池制造工廠關閉，致使大量公眾無法及時體驗到新電池，進而使消費者信心大減。 從資金角度來看，由車企自身來確保目前的投資，有助于提高市場上固態電池技術的采用率，吸引更多消費者。此外，很多企業都向這一技術投入了數億美元的資金，期望能夠找到更好的鋰離子電池解決方案，并降低固態電池的制造成本。 結語 鑒于固態電池具有顯著優勢，許多主流車企正將其戰略轉向這種類型的電池。在未來的新能源汽車中，固態電池技術有望成為標配。根據豐田宣布的計劃，到2030年，該公司向固態電池技術投入的資金將達到135億美元；此外，包括大眾、福特、寶馬在內的一眾主機廠也正致力于在未來數年內讓新能源汽車用上固態電池。 雖然固態電池技術有其自身的挑戰，但它確實解決了液態電池的易燃性和安全性問題，并且充電速度更快，行駛里程更長。只要資本設備到位，進而提升電池供應量，就可以讓市場平穩地從液態電池過渡到固態電池。行業和消費者都將從這一轉變中受益。 來源：貿澤電子 作者：Adam Kimmel |
