固態(tài)電池代替?zhèn)鹘y(tǒng)液體電解質(zhì)鋰電池
鋰離子(Li-ion)電池已成為許多應(yīng)用的首選。鋰離子電池可用于手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)工具、電動(dòng)車(EV)、電動(dòng)卡車和公共汽車，甚至是電動(dòng)飛機(jī)。傳統(tǒng)的鋰離子電池由負(fù)極、正極、隔離膜和液體電解質(zhì)組成。鋰離子電池中的易燃液體電解質(zhì)會(huì)導(dǎo)致許多安全問題，如電解質(zhì)泄漏、起火或爆炸等。固態(tài)電池，顧名思義，可以由固態(tài)電解質(zhì)取代易燃的液體電解質(zhì)，從而提高安全性，并增強(qiáng)電池性能。開發(fā)固態(tài)電池是為了打造具有更高能量密度、快速充電能力、更低成本和更高安全性的新一代電池。
固態(tài)電池的潛在應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋眾多產(chǎn)業(yè)，包括汽車、消費(fèi)電子、工業(yè)、航空航太等。固態(tài)電池分為兩種不同類別：一類是小容量固態(tài)電池，多家供應(yīng)商已實(shí)現(xiàn)商用，主要應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品;另一類是大容量(“塊狀”)固態(tài)電池，應(yīng)用于電動(dòng)車和混合動(dòng)力車(EV/HEV)，這也是固態(tài)電池發(fā)展的主要推動(dòng)力。
電動(dòng)車是固態(tài)電池發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力
使用內(nèi)燃機(jī)(ICE)為汽車提供動(dòng)力已有100多年的歷史，但內(nèi)燃機(jī)時(shí)代即將結(jié)束。電動(dòng)車將逐步取代內(nèi)燃機(jī)汽車，并將在幾年之內(nèi)發(fā)展成為車輛產(chǎn)業(yè)的主流。
然而，電動(dòng)車存在續(xù)航里程短、充電時(shí)間長、成本和安全性等多方面的問題，目前許多汽車用戶都對這些問題感到擔(dān)憂。為了增加續(xù)航里程，一種簡單的方法是增加電池容量。透過增加每個(gè)電池組中(車輛中的大電池)電芯(基本單元)的數(shù)量來增加電池容量。但是采用這種方法，電池的價(jià)格和重量會(huì)增加，而且電池會(huì)占用車輛較大的空間。因此，提高電池的能量密度或許是更為合適的解決方案。固態(tài)電池技術(shù)可以提高電池的能量密度，因而減少了每輛車中所需的電池?cái)?shù)量。這也是眾多電池生產(chǎn)商和汽車OEM致力于開發(fā)固態(tài)電池的原因。圖1顯示了全球各地理區(qū)的主要固態(tài)電池廠商。
圖1 ：全球各地區(qū)的主要固態(tài)電池業(yè)者。(來源：Yole Développement )
盡管人們聲稱固態(tài)電池比起傳統(tǒng)鋰離子電池有著更多的優(yōu)點(diǎn)，但其發(fā)展面臨許多挑戰(zhàn)，如離子電導(dǎo)率低、固體電解質(zhì)潤濕性差、工作溫度高等等。最終選取何種固體電解質(zhì)材料以及相關(guān)設(shè)備和生產(chǎn)制程仍有等研究。
如果一種電池具有較高的安全性與性能，就可能在市場競爭中取勝。因此，盡管在技術(shù)和供應(yīng)鏈方面都面臨挑戰(zhàn)，多家電池和汽車制造商已經(jīng)提出了量產(chǎn)的目標(biāo)開發(fā)藍(lán)圖，以確保在固態(tài)電池市場中占據(jù)領(lǐng)先地位。
圖2 ：哪一家電動(dòng)車制造商將在固態(tài)電池競賽中勝出?(來源：Yole Développement )
例如，豐田(Toyota)計(jì)劃從2025年開始量產(chǎn)固態(tài)電池。QuantumScape和松下(Panasonic)也計(jì)劃在2025至2026年量產(chǎn)固態(tài)電池，三星SDI (Samsung SDI)則將自2027年開始量產(chǎn)固態(tài)電池。此外，福斯汽車(Volkswagen)、現(xiàn)代(Hyundai)和BMW等多家電動(dòng)車制造商對固態(tài)電池新創(chuàng)企業(yè)進(jìn)行了投資，并計(jì)劃在幾年內(nèi)推出搭載固態(tài)電池的電動(dòng)車。例如，Volkswagen計(jì)劃在2025年左右推出固態(tài)電池電動(dòng)車，并與新創(chuàng)公司QuantumScape合作。那么，在電動(dòng)車固態(tài)電池的競賽中，未來誰將勝出?(圖2 )
得益于技術(shù)的發(fā)展以及供應(yīng)鏈合作的不斷壯大，市場研究公司Yole Développement (Yole)預(yù)計(jì)固態(tài)電池商業(yè)化將在2025年左右開始。但小量生產(chǎn)可能會(huì)提前實(shí)現(xiàn)。根據(jù)Yole Développement的資料，到2027年，大容量固態(tài)電池市場需求量將達(dá)到約2.36GWh，并可能在2027年之后加速增加。因此可能會(huì)率先在高檔電動(dòng)乘用車的低價(jià)位車型上采用，或者作為高價(jià)的電池選配升級方案。固態(tài)電池在乘用車中的成功應(yīng)用，將加快從混合動(dòng)力車向全電動(dòng)車的轉(zhuǎn)型。未來固態(tài)電池并將推廣到航空航太等其他應(yīng)用領(lǐng)域。
實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池量產(chǎn)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。綜合考慮技術(shù)、設(shè)備、大量/高產(chǎn)量生產(chǎn)和終端系統(tǒng)等各種因素，各廠商在固態(tài)電池的研發(fā)中密切合作比以往任何時(shí)候都更為重要(圖3 )。
圖3 ：為了克服固態(tài)電池商業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)，技術(shù)開發(fā)商、設(shè)備供應(yīng)商、電池制造商和汽車OEM必須通力合作。(來源：Yole Développement)
電動(dòng)車制造商在合作伙伴關(guān)系中的地位獨(dú)特，因?yàn)樗鼈兡軌蛱峁┏^1億美元的資金、希望擁有與眾不同的固態(tài)電池技術(shù)以便在競爭中取勝、需要使用大容量電池(每年生產(chǎn)大量車輛且每輛車需要大量電池)，并擁有成熟的銷售和經(jīng)銷網(wǎng)絡(luò)。
結(jié)論
固態(tài)電池技術(shù)最終將應(yīng)用于下一代電池系統(tǒng)中。EV/HEV制造商及其合作伙伴進(jìn)行了大量的研發(fā)，到2025~2030年，固態(tài)電池將作為一種“優(yōu)質(zhì)”電池，得到越來越廣泛的應(yīng)用。在進(jìn)一步最佳化技術(shù)和擴(kuò)大量產(chǎn)規(guī)模后，固態(tài)電池也將擴(kuò)展到其他應(yīng)用領(lǐng)域，但其價(jià)值主要還是反映在電動(dòng)出行(e-mobility)應(yīng)用領(lǐng)域。
