盡管由于 COVID-19 大流行，汽車市場出現(xiàn)了巨大的障礙，但電動汽車的銷量在所有全球市場上繼續(xù)呈指數(shù)級增長。歐洲和中國在 2020 年以 1.4MM 和 1.1MM 的新注冊量領(lǐng)跑全球市場。歐盟的市場份額仍然不受疫情影響，10% 的歐洲汽車是電池電動汽車 (BEV)、插電式混合動力電動汽車 ( PHEV）或燃料電池電動汽車（FCEV）。此外，隨著全球需求和供應(yīng)的增加，成本正在下降。

成本限制組件將很快決定大規(guī)模采用的時機(jī)。對于 FCEV，將氫氣的成本從目前的 6.50 美元/公斤降低到 1.50 美元/公斤是起點。電池成本將加快 BEV 和 PHEV 的采用速度，電池組消耗了消費(fèi)者總成本的 30%。盡管如此，隨著汽車需求呈指數(shù)級增長，每千瓦時 (kWh) 的成本也呈指數(shù)級下降，到 2020 年底將降至 137 美元/千瓦時。BloombergNEF 估計，電動汽車的成本將達(dá)到 100 美元/千瓦時 -動力車輛。

雖然氫能和電池汽車之間的爭論遠(yuǎn)未結(jié)束，但 BEV 可能會在短期內(nèi)主導(dǎo)市場，特別是對于不需要足夠大的電池來為 VIII 級卡車提供動力的輕型汽車。但即使在電池領(lǐng)域，最好的電池技術(shù)也沒有明確的選擇。鋰離子 (Li-ion) 在市場上占主導(dǎo)地位，但當(dāng)今市場上還有其他可行的電池化學(xué)成分，其中一些技術(shù)更優(yōu)越。

隨著鋰離子電池的成本預(yù)計很快將趨于平穩(wěn)，有機(jī)會通過替代化學(xué)進(jìn)行創(chuàng)新，從而在電池領(lǐng)域獲得份額。其中一種化學(xué)物質(zhì)，即固態(tài)電池，有望成為電動汽車電池的主要化學(xué)物質(zhì)。本文回顧了固態(tài)電池技術(shù)，并將其與當(dāng)今市場上的其他頂級電池技術(shù)進(jìn)行了比較。

鋰離子電池和領(lǐng)先的替代品

大多數(shù)電動汽車電池都是鋰離子電池。一種液態(tài)技術(shù)，鋰離子通過使用鋰在電極之間攜帶電荷來工作。從電動汽車電池的規(guī)模來看，它們使用的鋰量是手機(jī)的 10,000 倍，從而增加了對鋰的需求并推高了其商品價格。然而，鋰離子電池并非沒有挑戰(zhàn)，導(dǎo)致電池制造商開發(fā)替代品，如鎳金屬氫化物 (NMH)、鉛酸、超級電容器和固態(tài)電池。

鋰離子

電動汽車制造商偏愛鋰離子電池技術(shù)的最大原因之一是其高功率質(zhì)量比。重型部件是續(xù)航里程的敵人，因為電池在啟動和停止較重的車輛時消耗了過多的能量，而不是每次充電后行駛更遠(yuǎn)的距離。此外，鋰離子電池在高溫下具有比替代品更高的能量密度和更好的性能。鋰離子在消費(fèi)電子行業(yè)的使用是高能量密度的部分原因。

電子設(shè)備尺寸的減小以及每次充電延長工作時間的需求刺激了該參數(shù)的創(chuàng)新。因此，鋰離子的能量密度是 NMH 和鉛酸電池的 2.5 倍以上。此外，鋰離子電池可回收利用，是注重環(huán)保的消費(fèi)者的理想選擇。

鋰電池包括：

• 決定電池容量和電壓的陰極（由鈷、鎳或錳制成）
• 使電流流過外部電路的陽極（由石墨或硅制成）
• 由鹽和其他添加劑組成的電解質(zhì)，可將離子從陰極轉(zhuǎn)移到陽極。這就是電池類型的名稱（“鋰離子”是指鋰以負(fù)離子的形式攜帶電子）
• 防止陽極和陰極直接接觸的隔板

盡管鋰離子電池是一種低成本且具有技術(shù)優(yōu)勢的解決方案，但對這種電池的需求激增，加上商品價格上漲影響其原材料，推高了成本，阻止了價格繼續(xù)下行。此外，它確實存在因溫度變化過大或劇烈沖擊而膨脹的風(fēng)險，并且由于它是液體，因此在強(qiáng)烈沖擊時可能會泄漏。最后，鋰是一種堿金屬，這意味著它具有高反應(yīng)性和易燃性。此功能代表了另一個需要清除的關(guān)鍵安全障礙。

鎳金屬氫化物 (NMH)

雖然鋰離子是全電動汽車 (AEV) 的標(biāo)準(zhǔn)，但 NMH 更適合混合動力電動汽車 (HEV) 和插電式混合動力電動汽車 (PHEV)。雖然 NMH 具有比鋰離子或鉛酸更好的生命周期，但這種化學(xué)成分也有其缺點。與鋰離子電池相比，鎳金屬氫化物電池更便宜，但它們在不使用時會經(jīng)歷更高的自放電率。NMH 在運(yùn)行范圍的較熱端也會產(chǎn)生大量熱量。這種多余的熱量產(chǎn)生會導(dǎo)致范圍減小和壽命周期縮短。該技術(shù)還存在制造商和消費(fèi)者必須監(jiān)測和控制的氫損失的風(fēng)險。

鉛酸

盡管在液態(tài)電池中，鉛酸電池是最接近鋰離子電池的技術(shù)表現(xiàn)者，但它基本上被歸入研究或權(quán)宜之計的地位。它們表現(xiàn)出較差的低溫性能，對它們在廣泛的全球氣候中的使用提出了挑戰(zhàn)，并且它們的使用壽命很短。雖然消費(fèi)者不太可能愿意以高于預(yù)期的速度替代 30% 的 EV 成本，但這項技術(shù)為主要路徑化學(xué)物質(zhì)提供了一種安全、廉價、熟練的 [短期] 中間解決方案。

超級電容器

與鉛酸電池化學(xué)一樣，超級電容器也是儲能的次要選擇。但是，它們的主要區(qū)別在于它們可以幫助電池平衡其負(fù)載，在需要時吸收多余的能量或提供能量。這種靈活性在二次儲能源中至關(guān)重要。

用于 BEV 的鋰離子與固態(tài)電解質(zhì)

鑒于上述比較，液態(tài)電解質(zhì)的明顯贏家仍然是鋰離子。但這種認(rèn)識并不是故事的結(jié)局。如上所述，由于需求猛增，鋰離子電池容易受到更高成本的影響。此外，還有機(jī)會改善易燃液體著火的首要安全問題。安全性是電動汽車激發(fā)公眾信心的最關(guān)鍵成功標(biāo)準(zhǔn)之一，因此行業(yè)和安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)可能會歡迎有機(jī)會加強(qiáng)安全功能。

固態(tài)電池（由鋰金屬組成）解決了鋰離子電池最緊迫的安全挑戰(zhàn)。它們更穩(wěn)定，比已經(jīng)很高的鋰離子具有更高的能量密度，來自現(xiàn)成的材料，并提供更低的可燃性、更快的充電速度和更大的續(xù)航里程。此外，固體電解質(zhì)材料改善和擴(kuò)展了電動汽車電池的性能范圍，充電更快，并使用現(xiàn)成的材料。

大規(guī)模采用的障礙

固態(tài)是電動汽車電池的未來。然而，現(xiàn)在電池開發(fā)人員必須解決一些阻礙大規(guī)模采用的障礙。由于缺乏大量生產(chǎn)的資金，固態(tài)電池將承擔(dān)更高的開發(fā)成本。降低成本以鼓勵消費(fèi)者購買固態(tài)電動汽車至關(guān)重要。

當(dāng)應(yīng)用于 BEV 時，固態(tài)鋰電解質(zhì)材料存在缺陷，會降低電池性能和使用壽命。此外，固態(tài)電池容易開裂，最好在 140 華氏度下充電，以獲得最佳性能。

與任何開發(fā)材料一樣，制造過程的效率至關(guān)重要。迄今為止，還沒有用于電動汽車的量產(chǎn)固態(tài)電池。因此，由于缺乏固體電解質(zhì)材料經(jīng)驗而帶來的制造挑戰(zhàn)將大大延遲大規(guī)模采用。制造問題還可能導(dǎo)致電動汽車電池廠關(guān)閉，延遲大多數(shù)公眾與新電池的首次互動并影響消費(fèi)者信心。

從資金的角度來看，通過汽車制造商本身獲得當(dāng)前投資將使更高的采用率和消費(fèi)者進(jìn)入市場。此外，公司正在向該技術(shù)投資數(shù)億美元，以尋找更好的鋰離子解決方案并降低固態(tài)制造成本。

結(jié)論

鑒于固態(tài)電池的優(yōu)勢，主要汽車制造商正在將其戰(zhàn)略轉(zhuǎn)向電解質(zhì)化學(xué)。由于固態(tài)電池將成為電動汽車未來的標(biāo)準(zhǔn)電解質(zhì)技術(shù)，豐田宣布到 2030 年將投資 13.5B 美元用于該化學(xué)。此外，包括大眾、福特和寶馬在內(nèi)的一些原始設(shè)備制造商都致力于在未來幾年為電動汽車提供固態(tài)電池。

并非沒有挑戰(zhàn)，固態(tài)電池解決了液態(tài)電池的可燃性安全問題，充電速度更快，并提供更廣泛的行駛里程。使資本設(shè)備到位并增加電池供應(yīng)將為市場從液態(tài)過渡到固態(tài)創(chuàng)造滑行路徑。行業(yè)和消費(fèi)者都將從這一轉(zhuǎn)變中受益。

審核編輯：符乾江