电动汽车固态电池的发展之路
尽管由于 COVID-19 大流行，汽车市场出现了巨大的障碍，但电动汽车的销量在所有全球市场上继续呈指数级增长。欧洲和中国在 2020 年以 1.4MM 和 1.1MM 的新注册量领跑全球市场。欧盟的市场份额仍然不受疫情影响，10% 的欧洲汽车是电池电动汽车 (BEV)、插电式混合动力电动汽车 ( PHEV）或燃料电池电动汽车（FCEV）。此外，随着全球需求和供应的增加，成本正在下降。
成本限制组件将很快决定大规模采用的时机。对于 FCEV，将氢气的成本从目前的 6.50 美元/公斤降低到 1.50 美元/公斤是起点。电池成本将加快 BEV 和 PHEV 的采用速度，电池组消耗了消费者总成本的 30%。尽管如此，随着汽车需求呈指数级增长，每千瓦时 (kWh) 的成本也呈指数级下降，到 2020 年底将降至 137 美元/千瓦时。BloombergNEF 估计，电动汽车的成本将达到 100 美元/千瓦时 -动力车辆。
虽然氢能和电池汽车之间的争论远未结束，但 BEV 可能会在短期内主导市场，特别是对于不需要足够大的电池来为 VIII 级卡车提供动力的轻型汽车。但即使在电池领域，最好的电池技术也没有明确的选择。锂离子 (Li-ion) 在市场上占主导地位，但当今市场上还有其他可行的电池化学成分，其中一些技术更优越。
随着锂离子电池的成本预计很快将趋于平稳，有机会通过替代化学进行创新，从而在电池领域获得份额。其中一种化学物质，即固态电池，有望成为电动汽车电池的主要化学物质。本文回顾了固态电池技术，并将其与当今市场上的其他顶级电池技术进行了比较。
锂离子电池和领先的替代品
大多数电动汽车电池都是锂离子电池。一种液态技术，锂离子通过使用锂在电极之间携带电荷来工作。从电动汽车电池的规模来看，它们使用的锂量是手机的 10,000 倍，从而增加了对锂的需求并推高了其商品价格。然而，锂离子电池并非没有挑战，导致电池制造商开发替代品，如镍金属氢化物 (NMH)、铅酸、超级电容器和固态电池。
锂离子
电动汽车制造商偏爱锂离子电池技术的最大原因之一是其高功率质量比。重型部件是续航里程的敌人，因为电池在启动和停止较重的车辆时消耗了过多的能量，而不是每次充电后行驶更远的距离。此外，锂离子电池在高温下具有比替代品更高的能量密度和更好的性能。锂离子在消费电子行业的使用是高能量密度的部分原因。
电子设备尺寸的减小以及每次充电延长工作时间的需求刺激了该参数的创新。因此，锂离子的能量密度是 NMH 和铅酸电池的 2.5 倍以上。此外，锂离子电池可回收利用，是注重环保的消费者的理想选择。
锂电池包括：
- 决定电池容量和电压的阴极（由钴、镍或锰制成）
- 使电流流过外部电路的阳极（由石墨或硅制成）
- 由盐和其他添加剂组成的电解质，可将离子从阴极转移到阳极。这就是电池类型的名称（“锂离子”是指锂以负离子的形式携带电子）
- 防止阳极和阴极直接接触的隔板
尽管锂离子电池是一种低成本且具有技术优势的解决方案，但对这种电池的需求激增，加上商品价格上涨影响其原材料，推高了成本，阻止了价格继续下行。此外，它确实存在因温度变化过大或剧烈冲击而膨胀的风险，并且由于它是液体，因此在强烈冲击时可能会泄漏。最后，锂是一种碱金属，这意味着它具有高反应性和易燃性。此功能代表了另一个需要清除的关键安全障碍。
镍金属氢化物 (NMH)
虽然锂离子是全电动汽车 (AEV) 的标准，但 NMH 更适合混合动力电动汽车 (HEV) 和插电式混合动力电动汽车 (PHEV)。虽然 NMH 具有比锂离子或铅酸更好的生命周期，但这种化学成分也有其缺点。与锂离子电池相比，镍金属氢化物电池更便宜，但它们在不使用时会经历更高的自放电率。NMH 在运行范围的较热端也会产生大量热量。这种多余的热量产生会导致范围减小和寿命周期缩短。该技术还存在制造商和消费者必须监测和控制的氢损失的风险。
铅酸
尽管在液态电池中，铅酸电池是最接近锂离子电池的技术表现者，但它基本上被归入研究或权宜之计的地位。它们表现出较差的低温性能，对它们在广泛的全球气候中的使用提出了挑战，并且它们的使用寿命很短。虽然消费者不太可能愿意以高于预期的速度替代 30% 的 EV 成本，但这项技术为主要路径化学物质提供了一种安全、廉价、熟练的 [短期] 中间解决方案。
超级电容器
与铅酸电池化学一样，超级电容器也是储能的次要选择。但是，它们的主要区别在于它们可以帮助电池平衡其负载，在需要时吸收多余的能量或提供能量。这种灵活性在二次储能源中至关重要。
用于 BEV 的锂离子与固态电解质
鉴于上述比较，液态电解质的明显赢家仍然是锂离子。但这种认识并不是故事的结局。如上所述，由于需求猛增，锂离子电池容易受到更高成本的影响。此外，还有机会改善易燃液体着火的首要安全问题。安全性是电动汽车激发公众信心的最关键成功标准之一，因此行业和安全监管机构可能会欢迎有机会加强安全功能。
固态电池（由锂金属组成）解决了锂离子电池最紧迫的安全挑战。它们更稳定，比已经很高的锂离子具有更高的能量密度，来自现成的材料，并提供更低的可燃性、更快的充电速度和更大的续航里程。此外，固体电解质材料改善和扩展了电动汽车电池的性能范围，充电更快，并使用现成的材料。
大规模采用的障碍
固态是电动汽车电池的未来。然而，现在电池开发人员必须解决一些阻碍大规模采用的障碍。由于缺乏大量生产的资金，固态电池将承担更高的开发成本。降低成本以鼓励消费者购买固态电动汽车至关重要。
当应用于 BEV 时，固态锂电解质材料存在缺陷，会降低电池性能和使用寿命。此外，固态电池容易开裂，最好在 140 华氏度下充电，以获得最佳性能。
与任何开发材料一样，制造过程的效率至关重要。迄今为止，还没有用于电动汽车的量产固态电池。因此，由于缺乏固体电解质材料经验而带来的制造挑战将大大延迟大规模采用。制造问题还可能导致电动汽车电池厂关闭，延迟大多数公众与新电池的首次互动并影响消费者信心。
从资金的角度来看，通过汽车制造商本身获得当前投资将使更高的采用率和消费者进入市场。此外，公司正在向该技术投资数亿美元，以寻找更好的锂离子解决方案并降低固态制造成本。
结论
鉴于固态电池的优势，主要汽车制造商正在将其战略转向电解质化学。由于固态电池将成为电动汽车未来的标准电解质技术，丰田宣布到 2030 年将投资 13.5B 美元用于该化学。此外，包括大众、福特和宝马在内的一些原始设备制造商都致力于在未来几年为电动汽车提供固态电池。
并非没有挑战，固态电池解决了液态电池的可燃性安全问题，充电速度更快，并提供更广泛的行驶里程。使资本设备到位并增加电池供应将为市场从液态过渡到固态创造滑行路径。行业和消费者都将从这一转变中受益。
审核编辑：符乾江
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