【導讀】在新冠大流行背景下，汽車市場整體表現(xiàn)出萎靡態(tài)勢。然而，全球各個市場的新能源汽車銷量卻持續(xù)呈指數(shù)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(jù)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。
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在關系到新能源汽車何時得到大規(guī)模應用的各個方面中，成本限制因素即將占據(jù)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(jù)了整車總成本的30%。不過，在汽車需求量呈指數(shù)式增長的同時，每千瓦時（kWh）電池容量的成本也在指數(shù)式降低，2020年末已低至137美元/千瓦時。根據(jù)BloombergNEF估計，當這一數(shù)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(yōu)孰劣的爭論遠未終結(jié)，但后者極有可能率先取得市場主導地位，畢竟大多數(shù)人所需的小型汽車并不需要容量大到能夠驅(qū)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(jù)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(yōu)秀。
現(xiàn)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技術實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展、奪取市場份額的一大機遇，其中的固態(tài)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(tài)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(shù)汽車動力電池都采用液態(tài)的鋰離子電池技術，通過鋰離子在電極之間游走來實現(xiàn)充電和放電。和手機電池相比，汽車動力電池的規(guī)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(tài)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(zhì)量比。沉重的組件會顯著降低續(xù)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(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(xiàn)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：含有鹽類和其他添加劑，將離子從陰極轉(zhuǎn)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(yōu)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(fā)生劇烈撞擊時存在鼓包的風險；由于采用液態(tài)電解質(zhì)，在強烈撞擊下可能會泄漏。而且，鋰是一種堿金屬，化學性質(zhì)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(zhì)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(chǎn)生大量熱量。這種過度發(fā)熱會降低續(xù)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(jiān)測和控制的。
鉛酸電池
在液態(tài)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(quán)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(qū)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(tài)電解質(zhì)
從上述比較中，不難看出液態(tài)電解質(zhì)方案的贏家依然是鋰離子電池。但這并不是最終的結(jié)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(fā)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(yè)和安全監(jiān)管機構(gòu)一定會表示歡迎。
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(zhàn)。它們的穩(wěn)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)材料改善并延長了動力電池的續(xù)航能力，充電更快，并且可以使用現(xiàn)成材料制造。
推廣應用面臨的阻礙
固態(tài)電池是汽車動力電池的未來。然而，要想大規(guī)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(tài)電池尚缺乏大批量生產(chǎn)所需的資本投入，開發(fā)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(tài)電池的汽車，就成為了一件至關重要的事情。
固態(tài)鋰電解質(zhì)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(tài)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(fā)的材料一樣，固態(tài)電池制造過程的效率是一項關鍵要素。迄今為止，固態(tài)汽車動力電池尚未實現(xiàn)量產(chǎn)，制造商也缺乏有關固態(tài)電解質(zhì)材料的經(jīng)驗，因而勢必會在制造過程中遇到各種挑戰(zhàn)，這會顯著阻礙這項技術得到大規(guī)模運用。如果發(fā)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(tài)電池技術的采用率，吸引更多消費者。此外，很多企業(yè)都向這一技術投入了數(shù)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(jié)語
鑒于固態(tài)電池具有顯著優(yōu)勢，許多主流車企正將其戰(zhàn)略轉(zhuǎn)向這種類型的電池。在未來的新能源汽車中，固態(tài)電池技術有望成為標配。根據(jù)豐田宣布的計劃，到2030年，該公司向固態(tài)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(nèi)的一眾主機廠也正致力于在未來數(shù)年內(nèi)讓新能源汽車用上固態(tài)電池。
雖然固態(tài)電池技術有其自身的挑戰(zhàn)，但它確實解決了液態(tài)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(wěn)地從液態(tài)電池過渡到固態(tài)電池。行業(yè)和消費者都將從這一轉(zhuǎn)變中受益。
來源：貿(mào)澤電子，原創(chuàng)：Adam Kimmel
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