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。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未結束，但 BEV 可能會在短期內(nèi)主導市場，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。但即使在電池領域，最好的電池技術也沒有明確的選擇。鋰離子 (Li-ion) 在市場上占主導地位，但當今市場上還有其他可行的電池化學成分，其中一些技術更優(yōu)越。

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

鋰離子電池和領先的替代品

大多數(shù)電動汽車電池都是鋰離子電池。一種液態(tài)技術，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。鋰離子在消費電子行業(yè)的使用是高能量密度的部分原因。

電子設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險，并且由于它是液體，因此在強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性和易燃性。此功能代表了另一個需要清除的關鍵安全障礙。

鎳金屬氫化物 (NMH)

雖然鋰離子是全電動汽車 (AEV) 的標準，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)生會導致范圍減小和壽命周期縮短。該技術還存在制造商和消費者必須監(jiān)測和控制的氫損失的風險。

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表現(xiàn)者，但它基本上被歸入研究或權宜之計的地位。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。雖然消費者不太可能愿意以高于預期的速度替代 30% 的 EV 成本，但這項技術為主要路徑化學物質(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。但這種認識并不是故事的結局。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)公眾信心的最關鍵成功標準之一，因此行業(yè)和安全監(jiān)管機構可能會歡迎有機會加強安全功能。

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)電池將承擔更高的開發(fā)成本。降低成本以鼓勵消費者購買固態(tài)電動汽車至關重要。

當應用于 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。制造問題還可能導致電動汽車電池廠關閉，延遲大多數(shù)公眾與新電池的首次互動并影響消費者信心。

從資金的角度來看，通過汽車制造商本身獲得當前投資將使更高的采用率和消費者進入市場。此外，公司正在向該技術投資數(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。由于固態(tài)電池將成為電動汽車未來的標準電解質(zhì)技術，豐田宣布到 2030 年將投資 13.5B 美元用于該化學。此外，包括大眾、福特和寶馬在內(nèi)的一些原始設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。使資本設備到位并增加電池供應將為市場從液態(tài)過渡到固態(tài)創(chuàng)造滑行路徑。行業(yè)和消費者都將從這一轉(zhuǎn)變中受益。

審核編輯：符乾江