?優(yōu)勢性能顯著(zhù) 固態(tài)電池布局新能源汽車(chē)

在2020年，全球新能源汽車(chē)銷(xiāo)售量達到331.1萬(wàn)輛，同比成長(cháng)49.8％，2021年的全球銷(xiāo)售量逼近340萬(wàn)輛。2025年全球新能源汽車(chē)的銷(xiāo)量預測將上調到1640萬(wàn)輛，整體滲透率將超過(guò)20％。

其中，歐洲和中國的電動(dòng)汽車(chē)新注冊量合計占了80％以上。2020年德國注冊了39.5萬(wàn)輛新電動(dòng)汽車(chē)，法國18.5萬(wàn)輛，英國17.6萬(wàn)輛。在挪威，電動(dòng)汽車(chē)的銷(xiāo)售量以達到了75％的新紀錄，比前一年成長(cháng)約三成。韓國2020年電動(dòng)汽車(chē)的銷(xiāo)量達4.6萬(wàn)輛，比重增加了33.3％。在現有政策背景下，全球電動(dòng)汽車(chē)數量到2030年預計將達到約1.45億輛。在可持續發(fā)展的情況下，這個(gè)數字更可能達到更高的2.3億輛。

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

新能源汽車(chē)的快速發(fā)展，帶動(dòng)了汽車(chē)產(chǎn)業(yè)內外對于新能源汽車(chē)核心零組件的投資熱潮。許多國家都在政策的大力推動(dòng)下，對于新能源汽車(chē)的產(chǎn)量、銷(xiāo)量及市場(chǎng)需求量都不斷增加，對新能源汽車(chē)核心零組件的需求量也都持續上漲。

鋰電池具有能量密度高、使用壽命長(cháng)的特點(diǎn)，鋰電池目前也正在智能手機、筆記本電腦、電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車(chē)等中小型電池領(lǐng)域被廣泛應用，已經(jīng)成為21 世紀能源經(jīng)濟中一個(gè)不可或缺的重要組成元素。然而將鋰電池用在汽車(chē)、儲能等大型電池領(lǐng)域的應用上，還存在一些問(wèn)題急需解決，其中安全問(wèn)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(kāi)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年分別預期將達到44.2GWh、494.9GWh，到了2030年全球固態(tài)電池市場(chǎng)的規模將可望達到1500億元以上。

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

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(zhù)的性能優(yōu)勢，因此在近年來(lái)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(chē)產(chǎn)業(yè)公認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(chǎng)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(mén)子等這些從汽車(chē)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，贏(yíng)得未來(lái)更大的市場(chǎng)占有率。

從全球的范圍來(lái)觀(guān)察，全固態(tài)電池預計會(huì )在近年開(kāi)始獲得大量應用。在2030年全球固態(tài)電池的出貨量可能會(huì )達到276.8Gwh，整體滲透率預計將保持在10％左右。

以研發(fā)技術(shù)來(lái)觀(guān)察，日本在固態(tài)電池領(lǐng)域目前可以稱(chēng)得上是第一梯隊，而中國與韓國、美國同處于第二梯隊，而且主要都是以國家等級的研究機構為發(fā)展主力。展望未來(lái)，固態(tài)電池將成為新能車(chē)發(fā)展藍圖上的必經(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(yíng)，在應用上循序滲透。

開(kāi)發(fā)固態(tài)電池的目標是升級傳統電池系統的性能水平，提高在能源密度、充電速度、重量與容量方面的表現。然而，受限于嚴峻的制造技術(shù)挑戰，固態(tài)電池至今仍未進(jìn)入市場(chǎng)。待接下來(lái)幾年成本更低、性能更穩定之后，勢必將會(huì )大量應用于電動(dòng)車(chē)之上。


 
圖二 : 固態(tài)高效率電源模塊

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

這個(gè)有些出乎意料的發(fā)現，可以解釋為汽車(chē)制造商正在努力克服一個(gè)重大的設計難題：缺乏一個(gè)協(xié)調的可擴充供電方案，不僅可為馬達，而且能為12V長(cháng)期以來(lái)支持的所有汽車(chē)子系統供電。

電源需求急劇增加使這種復雜性加劇。純電動(dòng)汽車(chē)所需的總電源功率比燃油汽車(chē)高20倍。20倍的增加意味著(zhù)電子裝置的相應增加，這會(huì )增加成本、重量、尺寸以及設計復雜性。

目前的次優(yōu)解決方案是為電動(dòng)汽車(chē)配備多達三個(gè)獨立電池：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。

這種設計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)高效率電源模塊轉換器與正弦振幅轉換器結合使用，可提供12V電池的系統需求，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制12V實(shí)體電池的基本屬性，還可幫助他們減輕超過(guò)25磅的汽車(chē)重量，并可節省足夠的空間，相當于一個(gè)隨身攜帶的小型手提箱的大小。2022年，預計OEM將采用這種模塊化的供電方案，他們希望透過(guò)增加行駛里程并提高整體效能來(lái)實(shí)現其汽車(chē)產(chǎn)品系列的電氣化和差異化。

結語(yǔ)
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(lái)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(kāi)發(fā)及性能的提升，轉向全固態(tài)電池的結構設計和生產(chǎn)制程的開(kāi)發(fā)，并不斷有電池樣品及試制生產(chǎn)線(xiàn)問(wèn)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。