電動(dòng)汽車(chē)在歐洲的市場(chǎng)份額仍不到10%，僅占全球銷(xiāo)量的一小部分，但汽車(chē)制造商和供應(yīng)商已經(jīng)在投入數(shù)十億美元開(kāi)發(fā)固態(tài)電池，這種下一代技術(shù)有望擁有更快的充電速度、更好的儲(chǔ)能能力和更可靠的安全性。

汽車(chē)制造商們提出了固態(tài)電池出現(xiàn)的各種日期。中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)制造商蔚來(lái)可能是最積極的，它宣布將在2022年底提供這項(xiàng)技術(shù)。

豐田和大眾都在固態(tài)電池上投入了大量資金，這兩家公司都表示，到2025年，它們的汽車(chē)將搭載這種技術(shù)上路。其他公司則著眼于更遠(yuǎn)的未來(lái)，包括Stellantis(2026年)、寶馬(2026年)、戴姆勒(2028年)、雷諾-日產(chǎn)(2026年之后)和現(xiàn)代(不早于2030年)。

固態(tài)電池將是降低電池包價(jià)格、使電動(dòng)汽車(chē)既賺錢(qián)又便宜的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。彭博新能源財(cái)經(jīng)(Bloomberg NEF)表示，大規(guī)模生產(chǎn)的固態(tài)電池成本可以僅為目前鋰離子電池的40%。

但獨(dú)立專(zhuān)家持謹(jǐn)慎態(tài)度，他們指出，仍有許多令人生畏的技術(shù)障礙有待清除，包括操作溫度高、電解液耐久性和制造方面的挑戰(zhàn)。

LMC automotive的動(dòng)力總成分析師奧利弗·佩茨尼克(Oliver Petschenyk)表示：“在(汽車(chē))行業(yè)，我們還沒(méi)有看到商業(yè)上可行的固態(tài)電池。我們對(duì)供應(yīng)商和設(shè)計(jì)師實(shí)際能達(dá)到的日期仍持懷疑態(tài)度。固態(tài)電池可能要到本世紀(jì)20年代末才能實(shí)現(xiàn)。”

英國(guó)主要的電池研究機(jī)構(gòu)法拉第研究所估計(jì)，到2030年，固態(tài)電池在所有交通用電池中所占比例將不到5%，隨著電池制造商擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，到2040年，固態(tài)電池將穩(wěn)步上升至30%。

法拉第研究所表示，對(duì)固態(tài)電池的研究是“長(zhǎng)期的和高風(fēng)險(xiǎn)的，但也有可能獲得高回報(bào)。”與目前的液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池相比，它的主要好處是單位體積的儲(chǔ)能增加了70%。

法國(guó)分析公司Yole Developement的專(zhuān)家表示，固態(tài)電池將從2025-2026年左右逐步推出，首次應(yīng)用于豪華或高檔汽車(chē)。

目前的主要挑戰(zhàn)是找到合適的電解質(zhì)材料，這種電解質(zhì)在電芯的陽(yáng)極和陰極之間使離子移動(dòng)。最近，Yole公司的米蘭·羅西納(Milan Rosina)和沙魯·阿加瓦爾(Shalu Agarwal)發(fā)布了一份關(guān)于固態(tài)技術(shù)的綜合報(bào)告，他們表示，目前所有的解決方案都涉及在離子電導(dǎo)、電池壽命和安全性之間進(jìn)行不可接受的權(quán)衡。

資料來(lái)源：Yole development，2021年固態(tài)電池報(bào)告▼

Yole電力電子與電池首席分析師羅西納表示：“目前，我們還沒(méi)有一種與大規(guī)模生產(chǎn)兼容的材料組合。這就是為什么我們有這么多大公司參與進(jìn)來(lái)，并投資于采用不同技術(shù)方法的初創(chuàng)公司。”

許多競(jìng)爭(zhēng)者

考慮到這一點(diǎn)，汽車(chē)制造商們正在加緊行動(dòng)，建立聯(lián)盟，甚至收購(gòu)有前景的技術(shù)初創(chuàng)公司。

“在我們看來(lái)，最終的目標(biāo)是固態(tài)電池。”大眾汽車(chē)零部件部門(mén)電池和系統(tǒng)主管弗蘭克·布魯姆(Frank Blome)在2021年春季的動(dòng)力日(Power Day)發(fā)布會(huì)上表示。“更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)帶來(lái)更高的性能和更低的成本。”

大眾估計(jì)，續(xù)航里程將提高30%，主要是由于減重。這家汽車(chē)制造商與斯坦福大學(xué)的子公司QuantumScape進(jìn)行了近10年的合作。

大眾目前投資3億美元，持有三分之一的股份，并在QuantumScape公司董事會(huì)占有一席之地。QuantumScape公司最近宣布正在測(cè)試一種10層固態(tài)電池，可以在15分鐘內(nèi)充滿電。

電動(dòng)汽車(chē)的先驅(qū)雷諾也將固態(tài)電池視為接下來(lái)的一大步。該公司與聯(lián)盟伙伴日產(chǎn)汽車(chē)合作，向美國(guó)固態(tài)初創(chuàng)企業(yè)Ionic Materials投資了6500萬(wàn)美元。

“最終目標(biāo)是全固態(tài)技術(shù)。”雷諾集團(tuán)高級(jí)工程總監(jiān)索菲·施米德林(Sophie Schmidlin)在7月份的雷諾EWays電動(dòng)汽車(chē)活動(dòng)上表示：“從性能和成本的角度來(lái)看，這似乎是真正的游戲規(guī)則改變者，為許多技術(shù)突破開(kāi)辟了道路。”

豐田9月份表示，他們已經(jīng)在LQ概念車(chē)上對(duì)固態(tài)電池進(jìn)行了道路測(cè)試▼

豐田是唯一一家對(duì)固態(tài)電池公開(kāi)進(jìn)行道路測(cè)試的汽車(chē)制造商，測(cè)試在其LQ概念車(chē)上進(jìn)行。專(zhuān)家表示，該公司正與松下合作開(kāi)發(fā)一種基于亞硫酸鹽的電解質(zhì)，這是更有前途的方法之一。

其他公開(kāi)宣布的聯(lián)盟包括寶馬和福特與SolidPower，后者計(jì)劃與SPAC(特殊目的收購(gòu)公司)合并上市。還有雷諾-日產(chǎn)與Ionic。

主要的電池廠商都非常小心謹(jǐn)慎。Yole的羅西納表示，他們已經(jīng)在傳統(tǒng)鋰離子電池上投入了大量資金，他們認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)大、成本高的固態(tài)技術(shù)既是一種威脅，也是一種商機(jī)。

梅賽德斯-奔馳首席技術(shù)官薩吉德·可汗(Sajjid Khan)在7月份舉行的戴姆勒電動(dòng)汽車(chē)戰(zhàn)略活動(dòng)上指出，目前梅賽德斯-奔馳EQS的能量密度為550 Wh/L。他說(shuō)，固態(tài)電池“將在相同的封裝空間內(nèi)增加一倍的能量容量，并減輕重量”，同時(shí)允許更多的充電循環(huán)。

“有了固態(tài)電池，我們有機(jī)會(huì)從整體上重新考慮電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。”可汗補(bǔ)充道。

戴姆勒目前正在使用法國(guó)公司BlueSolutions生產(chǎn)的電池，生產(chǎn)一系列使用固態(tài)電池的電動(dòng)巴士eCitaro G。但是這種電池需要預(yù)熱，這對(duì)于私家車(chē)來(lái)說(shuō)是不實(shí)際的。

使用固態(tài)電池的奔馳eCitaro巴士已經(jīng)向德國(guó)的幾個(gè)城市提供▼

固態(tài)電池在充電時(shí)間方面也有優(yōu)勢(shì)。大眾估計(jì)，一輛裝有77 kWh電池的ID.4電動(dòng)SUV現(xiàn)在需要25分鐘才能增加450公里的續(xù)航里程(從10%的電量增加到80%)，但固態(tài)電池可以將這一時(shí)間縮短到12分鐘。

另一個(gè)關(guān)鍵的好處是安全。近年來(lái)，與火災(zāi)有關(guān)的電池召回給汽車(chē)制造商和供應(yīng)商造成了數(shù)十億歐元的損失。在最近的案例中，雪佛蘭召回了自Bolt EV上市以來(lái)生產(chǎn)的所有14.1萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)，估計(jì)成本為20億美元。電池供應(yīng)商LG化學(xué)同意向雪佛蘭支付19億美元以彌補(bǔ)成本。

2020年，福特召回6.9萬(wàn)輛翼虎插電式混合動(dòng)力車(chē)，成本為8億美元。2021年2月，現(xiàn)代汽車(chē)表示將斥資9億美元更換8.2萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)的電池系統(tǒng)。

固態(tài)電池可以減輕這一風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樗鼈儾皇褂靡兹茧娊赓|(zhì)，而且固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)該作為一個(gè)盾牌，防止樹(shù)突的生長(zhǎng)——樹(shù)突是一種尖刺狀的藻類(lèi)狀鋰沉積，可以在陽(yáng)極上形成，穿過(guò)電解質(zhì)并擊穿隔膜，導(dǎo)致短路，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。

佩茨尼克說(shuō)：“樹(shù)突的減少可以使電芯壽命更長(zhǎng)，可以承受更大的負(fù)荷，同時(shí)降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，特別是不再需要易燃的液體電解質(zhì)。”

Yole的分析師阿加瓦爾和羅西納說(shuō)，固態(tài)電池樹(shù)突形成的風(fēng)險(xiǎn)較小，但仍然存在，因?yàn)榧词故枪腆w電解質(zhì)也有顆粒或缺陷，不應(yīng)該允許它們生長(zhǎng)。

最后，專(zhuān)家說(shuō)，只有將固態(tài)電芯組裝成電池包并集成到電動(dòng)汽車(chē)中，才會(huì)看到一些好處。

如果固態(tài)電池確實(shí)更安全，那就意味著電動(dòng)汽車(chē)將需要更少的堅(jiān)固部件(也更便宜)來(lái)確保安全運(yùn)行。他們也可能需要更少的冷卻，羅西納說(shuō)，這意味著從電池中提取的電量可更少地用于冷卻，而更多地用于續(xù)航。

結(jié)構(gòu)上的差異

在傳統(tǒng)的鋰離子電芯中，鋰離子在正極和負(fù)極之間流動(dòng)，對(duì)電池進(jìn)行放電和充電。負(fù)極被稱(chēng)為陽(yáng)極，正極被稱(chēng)為陰極，被一個(gè)允許離子通過(guò)的隔膜分開(kāi)。在陽(yáng)極和陰極之間是液體電解質(zhì)。

相比之下，鋰離子固態(tài)電池將隔膜和電解質(zhì)結(jié)合成一個(gè)單一的固體物質(zhì)。因此，電池可以做得更薄，這意味著相同大小的空間可以容納更多的固態(tài)電芯。

在能量密度方面，固態(tài)電池的密度可以達(dá)到900至1300 Wh/L，而傳統(tǒng)鋰離子電池的最高密度可能最高只有1000 Wh/L左右。

汽車(chē)制造商可以利用這一點(diǎn)，在相同的尺寸和重量的情況下增加續(xù)航里程，或通過(guò)保持重量來(lái)減少電池包的尺寸。

進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)

專(zhuān)家表示，盡管固態(tài)電池可能用于車(chē)隊(duì)或公共交通(需要預(yù)熱的電池可能是一個(gè)技術(shù)死胡同)，但固態(tài)電池很可能首先出現(xiàn)在高檔汽車(chē)上，或作為較便宜車(chē)型的高性能選項(xiàng)。

阿加瓦爾和羅西納表示，這是因?yàn)橹圃煲粋€(gè)能夠滿足特斯拉或大眾汽車(chē)等大眾市場(chǎng)需求的超級(jí)工廠是不可行的，這兩家公司每年將生產(chǎn)數(shù)十萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)。

到2025年及其后幾年，初始需求可能只有每年2至3 GWh，這意味著在傳統(tǒng)鋰離子電池價(jià)格下降之際，固態(tài)電池的成本會(huì)更高。

專(zhuān)家表示，隨著固態(tài)電池生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，價(jià)格將會(huì)下降，但未來(lái)將面臨一系列不同尋常的挑戰(zhàn)。

豐田、三星等公司正在研究的亞硫酸鹽電解液會(huì)產(chǎn)生有毒的亞硫酸氫(H2S氣體)。一般來(lái)說(shuō)，電池必須在真空中組裝，這對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)是不可接受的。而薄的固體電解質(zhì)非常脆弱。

羅西納表示，與從內(nèi)燃汽車(chē)向電動(dòng)汽車(chē)的轉(zhuǎn)變類(lèi)似，向固態(tài)電池的轉(zhuǎn)變將需要一系列新的能力、潛在的裁員、工廠設(shè)備的重大變化和新的材料供應(yīng)鏈。

他說(shuō)，“固定成本將不利于固態(tài)電池的商業(yè)化狀態(tài)。”

編譯/ 朱 琳

編輯/ 劉寶華

設(shè)計(jì)/ 皮 皮

來(lái)源/ Autonews，作者：Peter Sigal

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