鋰離子電池和其他主流技術(shù)比較

在新冠大流行背景下，汽車市場(chǎng)整體表現(xiàn)出萎靡態(tài)勢(shì)。然而，全球各個(gè)市場(chǎng)的新能源汽車銷量卻持續(xù)呈指數(shù)式增長(zhǎng)，其中歐洲和中國(guó)引領(lǐng)全球市場(chǎng)，2020年新車注冊(cè)量分別高達(dá)140萬(wàn)輛和110萬(wàn)輛。歐洲新能源汽車的市場(chǎng)份額同樣未受疫情影響，純電動(dòng)汽車(BEV)、插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)和燃料電池電動(dòng)汽車(FCEV)占據(jù)了歐洲汽車銷量的10%。與此同時(shí)，隨著全球需求和供應(yīng)的增長(zhǎng)，新能源汽車的成本正在降低。

在關(guān)系到新能源汽車何時(shí)得到大規(guī)模應(yīng)用的各個(gè)方面中，成本限制因素即將占據(jù)主導(dǎo)地位。對(duì)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(jìn)這項(xiàng)技術(shù)得到應(yīng)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(jù)了整車總成本的30%。不過(guò)，在汽車需求量呈指數(shù)式增長(zhǎng)的同時(shí)，每千瓦時(shí)(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(shí)。根據(jù)BloombergNEF估計(jì)，當(dāng)這一數(shù)值降至100美元/千瓦時(shí)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(zhēng)論遠(yuǎn)未終結(jié)，但后者極有可能率先取得市場(chǎng)主導(dǎo)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(dòng)重型卡車的電池。然而，即便在電池這個(gè)細(xì)分領(lǐng)域中，也不存在明確的最佳技術(shù)路線。盡管鋰離子(Li-ion)電池占據(jù)著市場(chǎng)主導(dǎo)地位，但這并不妨礙其他電池化學(xué)技術(shù)的存在，它們?cè)诩夹g(shù)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(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展、奪取市場(chǎng)份額的一大機(jī)遇，其中的固態(tài)電池更是有望成為汽車動(dòng)力電池的主流技術(shù)路線。本文將對(duì)固態(tài)電池技術(shù)進(jìn)行介紹，并將其與當(dāng)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(shù)汽車動(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(xiàn)充電和放電。和手機(jī)電池相比，汽車動(dòng)力電池的規(guī)模要大得多，鋰的使用量可達(dá)前者的10000倍，這大大提高了電池行業(yè)對(duì)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(jí)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(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)顯著降低續(xù)航能力，因?yàn)樵诿看纬錆M電后，都會(huì)有太多的能量消耗在啟動(dòng)和停止車輛上，而不是讓車輛開(kāi)出更遠(yuǎn)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(fèi)電子行業(yè)得到廣泛應(yīng)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(fèi)者也希望每次充電后能使用更長(zhǎng)時(shí)間，這就推動(dòng)著電池能量密度不斷提高?，F(xiàn)在，鋰離子電池的能量密度可達(dá)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(fèi)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：含有鹽類和其他添加劑，將離子從陰極轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極，這就是“鋰離子”電池的名稱由來(lái)(鋰以負(fù)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(shì)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(shì)，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(xiǎn);由于采用液態(tài)電解質(zhì)，在強(qiáng)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(AEV)的標(biāo)配，而鎳氫電池則更適合用于混合動(dòng)力汽車(HEV)和插電式混合動(dòng)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(zhǎng)，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(xù)航能力，縮短使用壽命。這種技術(shù)還存在氫流失的風(fēng)險(xiǎn)，這是制造商和消費(fèi)者都必須監(jiān)測(cè)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(quán)宜之計(jì)。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(fèi)者當(dāng)然不希望以高于預(yù)期的速度消耗掉整車30%的成本，但這項(xiàng)技術(shù)仍然提供了一種安全、廉價(jià)、成熟的(短期)補(bǔ)充解決方案。

超級(jí)電容

與鉛酸電池一樣，超級(jí)電容也是儲(chǔ)能的次要選擇。不過(guò)，它們的主要區(qū)別在于后者能夠幫助電池平衡負(fù)載，在需要時(shí)吸收多余的能量或提供能量。這種靈活性對(duì)于二次儲(chǔ)能電源至關(guān)重要。

在純電動(dòng)汽車應(yīng)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(dǎo)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)汽車激發(fā)公眾信心的最關(guān)鍵成功標(biāo)準(zhǔn)之一，如果一項(xiàng)新技術(shù)有望加強(qiáng)安全功能，行業(yè)和安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)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(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(zhǎng)了動(dòng)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(yīng)用面臨的阻礙

固態(tài)電池是汽車動(dòng)力電池的未來(lái)。然而，要想大規(guī)模采用這項(xiàng)技術(shù)，電池廠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(duì)較高，因而通過(guò)降低成本來(lái)鼓勵(lì)消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)采用固態(tài)電池的汽車，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(yīng)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，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(xiàng)關(guān)鍵要素。迄今為止，固態(tài)汽車動(dòng)力電池尚未實(shí)現(xiàn)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(yàn)，因而勢(shì)必會(huì)在制造過(guò)程中遇到各種挑戰(zhàn)，這會(huì)顯著阻礙這項(xiàng)技術(shù)得到大規(guī)模運(yùn)用。如果發(fā)生制造問(wèn)題，還可能導(dǎo)致動(dòng)力電池制造工廠關(guān)閉，致使大量公眾無(wú)法及時(shí)體驗(yàn)到新電池，進(jìn)而使消費(fèi)者信心大減。

從資金角度來(lái)看，由車企自身來(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(fèi)者。此外，很多企業(yè)都向這一技術(shù)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(yǔ)

鑒于固態(tài)電池具有顯著優(yōu)勢(shì)，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(lái)的新能源汽車中，固態(tài)電池技術(shù)有望成為標(biāo)配。根據(jù)豐田宣布的計(jì)劃，到2030年，該公司向固態(tài)電池技術(shù)投入的資金將達(dá)到135億美元;此外，包括大眾、福特、寶馬在內(nèi)的一眾主機(jī)廠也正致力于在未來(lái)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(shù)有其自身的挑戰(zhàn)，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(zhǎng)。只要資本設(shè)備到位，進(jìn)而提升電池供應(yīng)量，就可以讓市場(chǎng)平穩(wěn)地從液態(tài)電池過(guò)渡到固態(tài)電池。行業(yè)和消費(fèi)者都將從這一轉(zhuǎn)變中受益。

Adam Kimmel作者介紹

Adam Kimmel擁有近20年執(zhí)業(yè)工程師、研發(fā)經(jīng)理和工程內(nèi)容撰稿人經(jīng)驗(yàn)，編寫(xiě)過(guò)白皮書(shū)、網(wǎng)站副本、案例研究以及博客文章，涉及汽車、工業(yè)/制造業(yè)、科技和電子等垂直細(xì)分領(lǐng)域。Adam擁有化學(xué)和機(jī)械工程學(xué)位，并且是工程和技術(shù)內(nèi)容寫(xiě)作公司ASK Consulting Solutions, LLC的創(chuàng)始人兼總負(fù)責(zé)人。

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原文標(biāo)題：通往新能源汽車固態(tài)電池之路

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審核編輯：湯梓紅