【導讀】在新冠大流行背景下，汽車(chē)市場(chǎng)整體表現出萎靡態(tài)勢。然而，全球各個(gè)市場(chǎng)的新能源汽車(chē)銷(xiāo)量卻持續呈指數式增長(cháng)，其中歐洲和中國引領(lǐng)全球市場(chǎng)，2020年新車(chē)注冊量分別高達140萬(wàn)輛和110萬(wàn)輛。歐洲新能源汽車(chē)的市場(chǎng)份額同樣未受疫情影響，純電動(dòng)汽車(chē)（BEV）、插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（PHEV）和燃料電池電動(dòng)汽車(chē)（FCEV）占據了歐洲汽車(chē)銷(xiāo)量的10%。與此同時(shí)，隨著(zhù)全球需求和供應的增長(cháng)，新能源汽車(chē)的成本正在降低。
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在關(guān)系到新能源汽車(chē)何時(shí)得到大規模應用的各個(gè)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(zhù)促進(jìn)這項技術(shù)得到應用；而B(niǎo)EV和PHEV的普及則與動(dòng)力電池組的成本息息相關(guān)，畢竟它至少占據了整車(chē)總成本的30%。不過(guò)，在汽車(chē)需求量呈指數式增長(cháng)的同時(shí)，每千瓦時(shí)（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(shí)。根據BloombergNEF估計，當這一數值降至100美元/千瓦時(shí)后，新能源汽車(chē)的成本將與汽油車(chē)持平。
雖然HCEV和BEV孰優(yōu)孰劣的爭論遠未終結，但后者極有可能率先取得市場(chǎng)主導地位，畢竟大多數人所需的小型汽車(chē)并不需要容量大到能夠驅動(dòng)重型卡車(chē)的電池。然而，即便在電池這個(gè)細分領(lǐng)域中，也不存在明確的最佳技術(shù)路線(xiàn)。盡管鋰離子（Li-ion）電池占據著(zhù)市場(chǎng)主導地位，但這并不妨礙其他電池化學(xué)技術(shù)的存在，它們在技術(shù)層面上甚至可能比鋰離子電池更優(yōu)秀。
現在，鋰離子電池的成本優(yōu)化空間收縮殆盡，這正是其他電池化學(xué)技術(shù)實(shí)現創(chuàng )新發(fā)展、奪取市場(chǎng)份額的一大機遇，其中的固態(tài)電池更是有望成為汽車(chē)動(dòng)力電池的主流技術(shù)路線(xiàn)。本文將對固態(tài)電池技術(shù)進(jìn)行介紹，并將其與當今市場(chǎng)上的其他主流技術(shù)進(jìn)行比較。
鋰離子電池和其他主流技術(shù)
目前，大多數汽車(chē)動(dòng)力電池都采用液態(tài)的鋰離子電池技術(shù)，通過(guò)鋰離子在電極之間游走來(lái)實(shí)現充電和放電。和手機電池相比，汽車(chē)動(dòng)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(yè)對鋰的需求量，甚至推高了鋰的價(jià)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(shù)上有所投入，這些技術(shù)包括鎳氫（NMH）電池、鉛酸電池、超級電容和固態(tài)電池。
鋰離子電池
新能源汽車(chē)制造商青睞鋰離子電池技術(shù)的主要原因之一，在于它具有較高的功率質(zhì)量比。沉重的組件會(huì )顯著(zhù)降低續航能力，因為在每次充滿(mǎn)電后，都會(huì )有太多的能量消耗在啟動(dòng)和停止車(chē)輛上，而不是讓車(chē)輛開(kāi)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(shù)。鋰離子電池之所以在消費電子行業(yè)得到廣泛應用，一部分原因也是出于其高能量密度。
電子產(chǎn)品發(fā)展至今，尺寸越來(lái)越小，同時(shí)消費者也希望每次充電后能使用更長(cháng)時(shí)間，這就推動(dòng)著(zhù)電池能量密度不斷提高?，F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(huán)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(yáng)極：由石墨或硅制成，使電流能夠流經(jīng)外部電路
● 電解液：含有鹽類(lèi)和其他添加劑，將離子從陰極轉移到陽(yáng)極，這就是“鋰離子”電池的名稱(chēng)由來(lái)（鋰以負離子的形式攜帶電子移動(dòng)）
● 隔膜：防止陽(yáng)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(shù)優(yōu)勢的解決方案，但在需求量暴增，并且原材料價(jià)格受通貨膨脹影響的情況下，其成本呈上升趨勢，價(jià)格難以降低。此外，它在溫度變化過(guò)大或發(fā)生劇烈撞擊時(shí)存在鼓包的風(fēng)險；由于采用液態(tài)電解質(zhì)，在強烈撞擊下可能會(huì )泄漏。而且，鋰是一種堿金屬，化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，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(dòng)汽車(chē)（AEV）的標配，而鎳氫電池則更適合用于混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（PHEV）。雖然鎳氫電池的壽命比鋰離子電池或鉛酸電池更長(cháng)，但它的化學(xué)性質(zhì)也帶來(lái)了明顯的缺點(diǎn)。與鋰離子電池相比，鎳氫電池的價(jià)格更低，但在不使用時(shí)的自放電率較高，而且在較高溫度下工作時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量熱量。這種過(guò)度發(fā)熱會(huì )降低續航能力，縮短使用壽命。這種技術(shù)還存在氫流失的風(fēng)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(tài)電池中，鉛酸電池的技術(shù)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(lèi)電池的低溫性能不佳，難以在全球各類(lèi)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(chē)30%的成本，但這項技術(shù)仍然提供了一種安全、廉價(jià)、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(guò)，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(shí)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(guān)重要。
在純電動(dòng)汽車(chē)應用中比較鋰離子和固態(tài)電解質(zhì)
從上述比較中，不難看出液態(tài)電解質(zhì)方案的贏(yíng)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(gè)有待改善的問(wèn)題。安全是電動(dòng)汽車(chē)激發(fā)公眾信心的最關(guān)鍵成功標準之一，如果一項新技術(shù)有望加強安全功能，行業(yè)和安全監管機構一定會(huì )表示歡迎。
固態(tài)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(tài)的電解質(zhì)材料改善并延長(cháng)了動(dòng)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(tài)電池是汽車(chē)動(dòng)力電池的未來(lái)。然而，要想大規模采用這項技術(shù)，電池廠(chǎng)商依然需要解決一系列問(wèn)題。目前固態(tài)電池尚缺乏大批量生產(chǎn)所需的資本投入，開(kāi)發(fā)成本相對較高，因而通過(guò)降低成本來(lái)鼓勵消費者購買(mǎi)采用固態(tài)電池的汽車(chē)，就成為了一件至關(guān)重要的事情。
固態(tài)鋰電解質(zhì)材料可能會(huì )存在間隙，這一問(wèn)題在BEV應用中會(huì )降低電池的性能和使用壽命。此外，固態(tài)電池還存在容易開(kāi)裂的問(wèn)題，并且要獲得最佳性能的話(huà)，最好在華氏140度（60攝氏度）下充電。
與任何正在開(kāi)發(fā)的材料一樣，固態(tài)電池制造過(guò)程的效率是一項關(guān)鍵要素。迄今為止，固態(tài)汽車(chē)動(dòng)力電池尚未實(shí)現量產(chǎn)，制造商也缺乏有關(guān)固態(tài)電解質(zhì)材料的經(jīng)驗，因而勢必會(huì )在制造過(guò)程中遇到各種挑戰，這會(huì )顯著(zhù)阻礙這項技術(shù)得到大規模運用。如果發(fā)生制造問(wèn)題，還可能導致動(dòng)力電池制造工廠(chǎng)關(guān)閉，致使大量公眾無(wú)法及時(shí)體驗到新電池，進(jìn)而使消費者信心大減。
從資金角度來(lái)看，由車(chē)企自身來(lái)確保目前的投資，有助于提高市場(chǎng)上固態(tài)電池技術(shù)的采用率，吸引更多消費者。此外，很多企業(yè)都向這一技術(shù)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(tài)電池的制造成本。
結語(yǔ)
鑒于固態(tài)電池具有顯著(zhù)優(yōu)勢，許多主流車(chē)企正將其戰略轉向這種類(lèi)型的電池。在未來(lái)的新能源汽車(chē)中，固態(tài)電池技術(shù)有望成為標配。根據豐田宣布的計劃，到2030年，該公司向固態(tài)電池技術(shù)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(chǎng)也正致力于在未來(lái)數年內讓新能源汽車(chē)用上固態(tài)電池。
雖然固態(tài)電池技術(shù)有其自身的挑戰，但它確實(shí)解決了液態(tài)電池的易燃性和安全性問(wèn)題，并且充電速度更快，行駛里程更長(cháng)。只要資本設備到位，進(jìn)而提升電池供應量，就可以讓市場(chǎng)平穩地從液態(tài)電池過(guò)渡到固態(tài)電池。行業(yè)和消費者都將從這一轉變中受益。
來(lái)源：貿澤電子，原創(chuàng )：Adam Kimmel
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