?優(yōu)勢性能顯著 固態(tài)電池布局新能源汽車

在2020年，全球新能源汽車銷售量達(dá)到331.1萬輛，同比成長49.8％，2021年的全球銷售量逼近340萬輛。2025年全球新能源汽車的銷量預(yù)測將上調(diào)到1640萬輛，整體滲透率將超過20％。

其中，歐洲和中國的電動汽車新注冊量合計(jì)占了80％以上。2020年德國注冊了39.5萬輛新電動汽車，法國18.5萬輛，英國17.6萬輛。在挪威，電動汽車的銷售量以達(dá)到了75％的新紀(jì)錄，比前一年成長約三成。韓國2020年電動汽車的銷量達(dá)4.6萬輛，比重增加了33.3％。在現(xiàn)有政策背景下，全球電動汽車數(shù)量到2030年預(yù)計(jì)將達(dá)到約1.45億輛。在可持續(xù)發(fā)展的情況下，這個(gè)數(shù)字更可能達(dá)到更高的2.3億輛。

加速布局固態(tài)電池
新能源汽車的核心零組件包括電機(jī)、電控、與電池等三大部分，動力電池是新能源汽車的核心零組件，直接決定整車性能。至于電機(jī)和電機(jī)控制器，也是新能源汽車的核心組件之一。電池占整車成本高達(dá)30～45％左右，電機(jī)電控約占20～25％，整車和其他部分則占了約20％。

新能源汽車的快速發(fā)展，帶動了汽車產(chǎn)業(yè)內(nèi)外對于新能源汽車核心零組件的投資熱潮。許多國家都在政策的大力推動下，對于新能源汽車的產(chǎn)量、銷量及市場需求量都不斷增加，對新能源汽車核心零組件的需求量也都持續(xù)上漲。

鋰電池具有能量密度高、使用壽命長的特點(diǎn)，鋰電池目前也正在智能手機(jī)、筆記本電腦、電動工具、電動自行車等中小型電池領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為21 世紀(jì)能源經(jīng)濟(jì)中一個(gè)不可或缺的重要組成元素。然而將鋰電池用在汽車、儲能等大型電池領(lǐng)域的應(yīng)用上，還存在一些問題急需解決，其中安全問題是最大的關(guān)鍵。


 
圖一 : 液態(tài)電池與固態(tài)電池比較表。（制表／王岫晨）

目前，全球企業(yè)開始加速固態(tài)鋰電池方面的研究布局，包括歐美日的大眾、寶馬、豐田等，以及中國的寧德時(shí)代、贛鋒鋰業(yè)等企業(yè)，都正加快布局的腳步，可望加速固態(tài)鋰電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展。全球固態(tài)鋰電池的需求量在2025年、2030年分別預(yù)期將達(dá)到44.2GWh、494.9GWh，到了2030年全球固態(tài)電池市場的規(guī)模將可望達(dá)到1500億元以上。

搶占固態(tài)電池先機(jī)
由于受到全球加強(qiáng)環(huán)保限制的趨勢所影響，純電動汽車的銷售量正加速成長。動力電池是新能源電動汽車的心臟，其性能對于整車將發(fā)揮決定性的影響。在當(dāng)前采用鋰離子電池的動力體系下，依靠高鎳三元正極、硅碳負(fù)極和電解液的組合將在3～5年內(nèi)達(dá)到更好的性能（能量密度上限為350Wh/Kg），但仍無法滿足動力鋰電池對于安全性、能量密度與成本的嚴(yán)苛要求。

固態(tài)電池由于在安全性、可靠性、能量密度、循環(huán)壽命等許多層面都擁有非常顯著的性能優(yōu)勢，因此在近年來受到了學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，也被新能源汽車產(chǎn)業(yè)公認(rèn)為是較為理想的下一代電池技術(shù)體系。

目前固態(tài)電池市場也已經(jīng)進(jìn)入了軍備競賽階段，例如寧德時(shí)代、豐田、三星、大眾、本田、戴森、松下、西門子等這些從汽車產(chǎn)業(yè)鏈到電子電器產(chǎn)業(yè)鏈，甚至許多固態(tài)電池的初創(chuàng)企業(yè)，都爭先恐后卯足全力，希望能在固態(tài)電池領(lǐng)域搶占先機(jī)，贏得未來更大的市場占有率。

從全球的范圍來觀察，全固態(tài)電池預(yù)計(jì)會在近年開始獲得大量應(yīng)用。在2030年全球固態(tài)電池的出貨量可能會達(dá)到276.8Gwh，整體滲透率預(yù)計(jì)將保持在10％左右。

以研發(fā)技術(shù)來觀察，日本在固態(tài)電池領(lǐng)域目前可以稱得上是第一梯隊(duì)，而中國與韓國、美國同處于第二梯隊(duì)，而且主要都是以國家等級的研究機(jī)構(gòu)為發(fā)展主力。展望未來，固態(tài)電池將成為新能車發(fā)展藍(lán)圖上的必經(jīng)階段，各國發(fā)展固態(tài)電池也將遵循階段發(fā)展的進(jìn)度，在技術(shù)上步步為營，在應(yīng)用上循序滲透。

開發(fā)固態(tài)電池的目標(biāo)是升級傳統(tǒng)電池系統(tǒng)的性能水平，提高在能源密度、充電速度、重量與容量方面的表現(xiàn)。然而，受限于嚴(yán)峻的制造技術(shù)挑戰(zhàn)，固態(tài)電池至今仍未進(jìn)入市場。待接下來幾年成本更低、性能更穩(wěn)定之后，勢必將會大量應(yīng)用于電動車之上。


 
圖二 : 固態(tài)高效率電源模塊

虛擬電池技術(shù)助電動車減重
選擇將汽車換成純電動車的消費(fèi)者，希望能用大型鋰離子電池組為馬達(dá)供電。此外，他們也可能會驚奇地發(fā)現(xiàn)，仍然需要有常規(guī)12V電池在處理許多燃油汽車所需的相同功能。

這個(gè)有些出乎意料的發(fā)現(xiàn)，可以解釋為汽車制造商正在努力克服一個(gè)重大的設(shè)計(jì)難題：缺乏一個(gè)協(xié)調(diào)的可擴(kuò)充供電方案，不僅可為馬達(dá)，而且能為12V長期以來支持的所有汽車子系統(tǒng)供電。

電源需求急劇增加使這種復(fù)雜性加劇。純電動汽車所需的總電源功率比燃油汽車高20倍。20倍的增加意味著電子裝置的相應(yīng)增加，這會增加成本、重量、尺寸以及設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

目前的次優(yōu)解決方案是為電動汽車配備多達(dá)三個(gè)獨(dú)立電池：一個(gè)400V或800V（牽引電池），以及一個(gè)由12V和48V次級電池供電的配電系統(tǒng)。

這種設(shè)計(jì)困境的最佳解決方案，就在于能否讓牽引電池也能與12V電池共享。目前Vicor以固態(tài)高效率電源模塊轉(zhuǎn)換器與正弦振幅轉(zhuǎn)換器結(jié)合使用，可提供12V電池的系統(tǒng)需求，實(shí)質(zhì)上就是建立一個(gè)虛擬電池。這種替換策略不僅允許工程師復(fù)制12V實(shí)體電池的基本屬性，還可幫助他們減輕超過25磅的汽車重量，并可節(jié)省足夠的空間，相當(dāng)于一個(gè)隨身攜帶的小型手提箱的大小。2022年，預(yù)計(jì)OEM將采用這種模塊化的供電方案，他們希望透過增加行駛里程并提高整體效能來實(shí)現(xiàn)其汽車產(chǎn)品系列的電氣化和差異化。

結(jié)語
固態(tài)鋰離子電池由于具有安全性高、能量密度高等優(yōu)勢，已經(jīng)成為未來鋰離子電池發(fā)展的重中之重。其中，固態(tài)電解質(zhì)身為固態(tài)電池有別于傳統(tǒng)液態(tài)電池的關(guān)鍵核心組件，已經(jīng)逐漸受到各國企業(yè)與政府重視。目前，鋰電池固態(tài)電解質(zhì)電池展現(xiàn)了更好的性能。學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界都正在將研究的重心，從固態(tài)電解質(zhì)的開發(fā)及性能的提升，轉(zhuǎn)向全固態(tài)電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制程的開發(fā)，并不斷有電池樣品及試制生產(chǎn)線問世。鋰離子電池使用固態(tài)電解質(zhì)是大勢所趨，固態(tài)電解質(zhì)及全固態(tài)鋰離子電池，勢必將成為鋰離子電池技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。