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固态电池:电池革命即将到来

时间:2022-03-17 07:42:22 作者:Milan Rosina、Shalu Agarwal,Yole Développement 阅读:
固态电池商用化将如何重塑电动出行(e-mobility)业务......
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固态电池代替传统液体电解质锂电池

锂离子(Li-ion)电池已成为许多应用的首选。锂离子电池可用于手机、笔记本电脑、电动工具、电动车(EV)、电动卡车和公共汽车,甚至是电动飞机。传统的锂离子电池由负极、正极、隔离膜和液体电解质组成。锂离子电池中的易燃液体电解质会导致许多安全问题,如电解质泄漏、起火或爆炸等。固态电池,顾名思义,可以由固态电解质取代易燃的液体电解质,从而提高安全性,并增强电池性能。开发固态电池是为了打造具有更高能量密度、快速充电能力、更低成本和更高安全性的新一代电池。

固态电池的潜在应用领域涵盖众多产业,包括汽车、消费电子、工业、航空航太等。固态电池分为两种不同类别:一类是小容量固态电池,多家供应商已实现商用,主要应用于消费电子产品;另一类是大容量(“块状”)固态电池,应用于电动车和混合动力车(EV/HEV),这也是固态电池发展的主要推动力。

电动车是固态电池发展的关键驱动力

使用内燃机(ICE)为汽车提供动力已有100多年的历史,但内燃机时代即将结束。电动车将逐步取代内燃机汽车,并将在几年之内发展成为车辆产业的主流。

然而,电动车存在续航里程短、充电时间长、成本和安全性等多方面的问题,目前许多汽车用户都对这些问题感到担忧。为了增加续航里程,一种简单的方法是增加电池容量。透过增加每个电池组中(车辆中的大电池)电芯(基本单元)的数量来增加电池容量。但是采用这种方法,电池的价格和重量会增加,而且电池会占用车辆较大的空间。因此,提高电池的能量密度或许是更为合适的解决方案。固态电池技术可以提高电池的能量密度,因而减少了每辆车中所需的电池数量。这也是众多电池生产商和汽车OEM致力于开发固态电池的原因。图1显示了全球各地理区的主要固态电池厂商。

图1 :全球各地区的主要固态电池业者。(来源:Yole Développement )

尽管人们声称固态电池比起传统锂离子电池有着更多的优点,但其发展面临许多挑战,如离子电导率低、固体电解质润湿性差、工作温度高等等。最终选取何种固体电解质材料以及相关设备和生产制程仍有等研究。

如果一种电池具有较高的安全性与性能,就可能在市场竞争中取胜。因此,尽管在技术和供应链方面都面临挑战,多家电池和汽车制造商已经提出了量产的目标开发蓝图,以确保在固态电池市场中占据领先地位。

图2 :哪一家电动车制造商将在固态电池竞赛中胜出?(来源:Yole Développement )

例如,丰田(Toyota)计划从2025年开始量产固态电池。QuantumScape和松下(Panasonic)也计划在2025至2026年量产固态电池,三星SDI (Samsung SDI)则将自2027年开始量产固态电池。此外,福斯汽车(Volkswagen)、现代(Hyundai)和BMW等多家电动车制造商对固态电池新创企业进行了投资,并计划在几年内推出搭载固态电池的电动车。例如,Volkswagen计划在2025年左右推出固态电池电动车,并与新创公司QuantumScape合作。那么,在电动车固态电池的竞赛中,未来谁将胜出?(图2 )

得益于技术的发展以及供应链合作的不断壮大,市场研究公司Yole Développement (Yole)预计固态电池商业化将在2025年左右开始。但小量生产可能会提前实现。根据Yole Développement的资料,到2027年,大容量固态电池市场需求量将达到约2.36GWh,并可能在2027年之后加速增加。因此可能会率先在高档电动乘用车的低价位车型上采用,或者作为高价的电池选配升级方案。固态电池在乘用车中的成功应用,将加快从混合动力车向全电动车的转型。未来固态电池并将推广到航空航太等其他应用领域。

实现固态电池量产是一项艰巨的任务。综合考虑技术、设备、大量/高产量生产和终端系统等各种因素,各厂商在固态电池的研发中密切合作比以往任何时候都更为重要(图3 )。

图3 :为了克服固态电池商业化面临的挑战,技术开发商、设备供应商、电池制造商和汽车OEM必须通力合作。(来源:Yole Développement)

电动车制造商在合作伙伴关系中的地位独特,因为它们能够提供超过1亿美元的资金、希望拥有与众不同的固态电池技术以便在竞争中取胜、需要使用大容量电池(每年生产大量车辆且每辆车需要大量电池),并拥有成熟的销售和经销网络。

结论

固态电池技术最终将应用于下一代电池系统中。EV/HEV制造商及其合作伙伴进行了大量的研发,到2025~2030年,固态电池将作为一种“优质”电池,得到越来越广泛的应用。在进一步最佳化技术和扩大量产规模后,固态电池也将扩展到其他应用领域,但其价值主要还是反映在电动出行(e-mobility)应用领域。

(参考原文:Solid-State Battery: a Battery Revolution is Coming,by Milan Rosina and Shalu Agarwal)

本文同步刊登于EDN Taiwan 2021年12月刊杂志

责编:Amy.wu
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