通往新能源汽车固态电池之路
品慧电子讯在新冠大流行背景下，汽车市场整体表现出萎靡态势。然而，全球各个市场的新能源汽车销量却持续呈指数式增长，其中欧洲和中国引领全球市场，2020年新车注册量分别高达140万辆和110万辆。欧洲新能源汽车的市场份额同样未受疫情影响，纯电动汽车（BEV）、插电式混合动力汽车（PHEV）和燃料电池电动汽车（FCEV）占据了欧洲汽车销量的10%。与此同时，随着全球需求和供应的增长，新能源汽车的成本正在降低。
图源：kkssr/Shutterstock.com
在关系到新能源汽车何时得到大规模应用的各个方面中，成本限制因素即将占据主导地位。对于FCEV而言，如果氢气成本能够从目前的6.50美元/千克降至1.50美元/千克，那么就可以显著促进这项技术得到应用；而BEV和PHEV的普及则与动力电池组的成本息息相关，毕竟它至少占据了整车总成本的30%。不过，在汽车需求量呈指数式增长的同时，每千瓦时（kWh）电池容量的成本也在指数式降低，2020年末已低至137美元/千瓦时。根据BloombergNEF估计，当这一数值降至100美元/千瓦时后，新能源汽车的成本将与汽油车持平。
虽然HCEV和BEV孰优孰劣的争论远未终结，但后者极有可能率先取得市场主导地位，毕竟大多数人所需的小型汽车并不需要容量大到能够驱动重型卡车的电池。然而，即便在电池这个细分领域中，也不存在明确的最佳技术路线。尽管锂离子（Li-ion）电池占据着市场主导地位，但这并不妨碍其他电池化学技术的存在，它们在技术层面上甚至可能比锂离子电池更优秀。
现在，锂离子电池的成本优化空间收缩殆尽，这正是其他电池化学技术实现创新发展、夺取市场份额的一大机遇，其中的固态电池更是有望成为汽车动力电池的主流技术路线。本文将对固态电池技术进行介绍，并将其与当今市场上的其他主流技术进行比较。
锂离子电池和其他主流技术
目前，大多数汽车动力电池都采用液态的锂离子电池技术，通过锂离子在电极之间游走来实现充电和放电。和手机电池相比，汽车动力电池的规模要大得多，锂的使用量可达前者的10000倍，这大大提高了电池行业对锂的需求量，甚至推高了锂的价格。然而，锂离子电池并非十全十美，因而电池制造商也在其他技术上有所投入，这些技术包括镍氢（NMH）电池、铅酸电池、超级电容和固态电池。
锂离子电池
新能源汽车制造商青睐锂离子电池技术的主要原因之一，在于它具有较高的功率质量比。沉重的组件会显著降低续航能力，因为在每次充满电后，都会有太多的能量消耗在启动和停止车辆上，而不是让车辆开出更远的距离。此外，锂离子电池具有很高的能量密度，在较高温度下的性能也好于其他技术。锂离子电池之所以在消费电子行业得到广泛应用，一部分原因也是出于其高能量密度。
电子产品发展至今，尺寸越来越小，同时消费者也希望每次充电后能使用更长时间，这就推动着电池能量密度不断提高。现在，锂离子电池的能量密度可达镍氢电池和铅酸电池的2.5倍以上。此外，锂离子电池是可回收的，这使之成为注重环保的消费者的理想选择。
锂离子电池由以下部分组成：
● 阴极：由钴、镍或锰制成，决定了电池的容量和电压
● 阳极：由石墨或硅制成，使电流能够流经外部电路
● 电解液：含有盐类和其他添加剂，将离子从阴极转移到阳极，这就是“锂离子”电池的名称由来（锂以负离子的形式携带电子移动）
● 隔膜：防止阳极和阴极之间直接接触
虽然锂离子电池是一种成本较低并且具有技术优势的解决方案，但在需求量暴增，并且原材料价格受通货膨胀影响的情况下，其成本呈上升趋势，价格难以降低。此外，它在温度变化过大或发生剧烈撞击时存在鼓包的风险；由于采用液态电解质，在强烈撞击下可能会泄漏。而且，锂是一种碱金属，化学性质非常活泼，并且高度易燃，这又是一层需要消除的重大不安全因素。
镍氢（NMH）电池
锂离子电池已成为纯电动汽车（AEV）的标配，而镍氢电池则更适合用于混合动力汽车（HEV）和插电式混合动力汽车（PHEV）。虽然镍氢电池的寿命比锂离子电池或铅酸电池更长，但它的化学性质也带来了明显的缺点。与锂离子电池相比，镍氢电池的价格更低，但在不使用时的自放电率较高，而且在较高温度下工作时会产生大量热量。这种过度发热会降低续航能力，缩短使用寿命。这种技术还存在氢流失的风险，这是制造商和消费者都必须监测和控制的。
铅酸电池
在液态电池中，铅酸电池的技术性能最接近锂离子电池，但通常它只用作研究用途或权宜之计。此类电池的低温性能不佳，难以在全球各类气候条件下推广，使用寿命也较短。消费者当然不希望以高于预期的速度消耗掉整车30%的成本，但这项技术仍然提供了一种安全、廉价、成熟的（短期）补充解决方案。
超级电容
与铅酸电池一样，超级电容也是储能的次要选择。不过，它们的主要区别在于后者能够帮助电池平衡负载，在需要时吸收多余的能量或提供能量。这种灵活性对于二次储能电源至关重要。
在纯电动汽车应用中比较锂离子和固态电解质
从上述比较中，不难看出液态电解质方案的赢家依然是锂离子电池。但这并不是最终的结果；如上所述，锂离子很容易因需求激增而导致成本上升，并且易燃液体起火也是一个有待改善的问题。安全是电动汽车激发公众信心的最关键成功标准之一，如果一项新技术有望加强安全功能，行业和安全监管机构一定会表示欢迎。
固态电池（由锂金属组成）就解决了锂离子电池最紧迫的安全挑战。它们的稳定性更高，能量密度也比锂离子电池更高，可燃性更低。此外，固态的电解质材料改善并延长了动力电池的续航能力，充电更快，并且可以使用现成材料制造。
推广应用面临的阻碍
固态电池是汽车动力电池的未来。然而，要想大规模采用这项技术，电池厂商依然需要解决一系列问题。目前固态电池尚缺乏大批量生产所需的资本投入，开发成本相对较高，因而通过降低成本来鼓励消费者购买采用固态电池的汽车，就成为了一件至关重要的事情。
固态锂电解质材料可能会存在间隙，这一问题在BEV应用中会降低电池的性能和使用寿命。此外，固态电池还存在容易开裂的问题，并且要获得最佳性能的话，最好在华氏140度（60摄氏度）下充电。
与任何正在开发的材料一样，固态电池制造过程的效率是一项关键要素。迄今为止，固态汽车动力电池尚未实现量产，制造商也缺乏有关固态电解质材料的经验，因而势必会在制造过程中遇到各种挑战，这会显著阻碍这项技术得到大规模运用。如果发生制造问题，还可能导致动力电池制造工厂关闭，致使大量公众无法及时体验到新电池，进而使消费者信心大减。
从资金角度来看，由车企自身来确保目前的投资，有助于提高市场上固态电池技术的采用率，吸引更多消费者。此外，很多企业都向这一技术投入了数亿美元的资金，期望能够找到更好的锂离子电池解决方案，并降低固态电池的制造成本。
结语
鉴于固态电池具有显著优势，许多主流车企正将其战略转向这种类型的电池。在未来的新能源汽车中，固态电池技术有望成为标配。根据丰田宣布的计划，到2030年，该公司向固态电池技术投入的资金将达到135亿美元；此外，包括大众、福特、宝马在内的一众主机厂也正致力于在未来数年内让新能源汽车用上固态电池。
虽然固态电池技术有其自身的挑战，但它确实解决了液态电池的易燃性和安全性问题，并且充电速度更快，行驶里程更长。只要资本设备到位，进而提升电池供应量，就可以让市场平稳地从液态电池过渡到固态电池。行业和消费者都将从这一转变中受益。
来源：贸泽电子，原创：Adam Kimmel
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