?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到了75％的新紀錄，比前一年成長約三成。韓國2020年電動汽車的銷量達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年預計將達到約1.45億輛。在可持續(xù)發(fā)展的情況下，這個數(shù)字更可能達到更高的2.3億輛。

加速布局固態(tài)電池
新能源汽車的核心零組件包括電機、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。至于電機和電機控制器，也是新能源汽車的核心組件之一。電池占整車成本高達30～45％左右，電機電控約占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，鋰電池目前也正在智能手機、筆記本電腦、電動工具、電動自行車等中小型電池領域被廣泛應用，已經(jīng)成為21 世紀能源經(jīng)濟中一個不可或缺的重要組成元素。然而將鋰電池用在汽車、儲能等大型電池領域的應用上，還存在一些問題急需解決，其中安全問題是最大的關鍵。


 
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)電池市場的規(guī)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、硅碳負極和電解液的組合將在3～5年內(nèi)達到更好的性能（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術界與產(chǎn)業(yè)界的廣泛關注，也被新能源汽車產(chǎn)業(yè)公認為是較為理想的下一代電池技術體系。

目前固態(tài)電池市場也已經(jīng)進入了軍備競賽階段，例如寧德時代、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)電池領域搶占先機，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)電池預計會在近年開始獲得大量應用。在2030年全球固態(tài)電池的出貨量可能會達到276.8Gwh，整體滲透率預計將保持在10％左右。

以研發(fā)技術來觀察，日本在固態(tài)電池領域目前可以稱得上是第一梯隊，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，固態(tài)電池將成為新能車發(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)展的進度，在技術上步步為營，在應用上循序滲透。

開發(fā)固態(tài)電池的目標是升級傳統(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，受限于嚴峻的制造技術挑戰(zhàn)，固態(tài)電池至今仍未進入市場。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

虛擬電池技術助電動車減重
選擇將汽車換成純電動車的消費者，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重大的設計難題：缺乏一個協(xié)調(diào)的可擴充供電方案，不僅可為馬達，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增加，這會增加成本、重量、尺寸以及設計復雜性。

目前的次優(yōu)解決方案是為電動汽車配備多達三個獨立電池：一個400V或800V（牽引電池），以及一個由12V和48V次級電池供電的配電系統(tǒng)。

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(tǒng)需求，實質(zhì)上就是建立一個虛擬電池。這種替換策略不僅允許工程師復制12V實體電池的基本屬性，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，相當于一個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，他們希望透過增加行駛里程并提高整體效能來實現(xiàn)其汽車產(chǎn)品系列的電氣化和差異化。

結語
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。學術界及產(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，轉向全固態(tài)電池的結構設計和生產(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發(fā)展的一個重要方向。