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固态电池:电池革命即将到来

2021-12-06 Milan Rosina,Shalu Agarwal 阅读:
固态电池的潜在应用领域涵盖众多行业,包括汽车、消费电子、工业、航空航天等。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;另一类是大容量固态电池,应用于电动和混合动力汽车(EV/HEV),这是固态电池发展的主要推动力。

固态电池替代传统液体电解质锂离子电池

锂离子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、电动汽车、电动卡车和公共汽车,甚至电动飞机。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、爆炸等。顾名思义,在固态电池中,固态电解质取代了易燃液体电解质,从而提高了安全性,增强了电池性能。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。tJLednc

固态电池的潜在应用领域涵盖众多行业,包括汽车、消费电子、工业、航空航天等。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;另一类是大容量固态电池,应用于电动和混合动力汽车(EV/HEV),这是固态电池发展的主要推动力。 tJLednc

电动汽车成为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。电动汽车将逐步取代内燃机汽车,几年之内电动汽车将成为汽车的主流。tJLednc

然而,电动汽车存在续航里程短、充电时间长、成本和安全性等多个方面的问题,目前很多汽车用户都对这些问题感到担忧。要增加续航里程,一种简单的方法是增加电池容量。可以通过增加每个电池组中(车辆中的大电池)电芯(基本单元)的数量来增大电池容量。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大量的空间。增加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,因此减少了每辆车所需的电池数量。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显示了全球各地区的固态电池相关厂商。tJLednc

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图1:全球各地区固态电池相关厂商。tJLednc

尽管人们声称固态电池与传统锂离子电池相比有许多优点,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。最终选取何种固体电解质材料以及相关设备和生产工艺仍在研究中。tJLednc

如果一种电池具有较高的安全性与较好的性能,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,这么多电池和汽车制造商已经提出了量产的目标路线图,以确保在固态电池市场中占据领先地位。tJLednc

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图2:在电动汽车固态电池竞赛中,哪一家电动汽车制造商将获胜?tJLednc

例如,丰田计划从2025年开始实现固态电池量产。QuantumScape和松下也计划在2025至2026年批量生产固态电池,三星SDI也将从2027年开始批量生产固态电池。此外,大众、现代和宝马等许多电动汽车制造商对固态电池初创企业进行了投资,并计划在几年内推出搭载固态电池的电动汽车。大众汽车计划在2025年左右推出固态电池电动汽车,并与初创公司QuantumScape进行合作。那么,在电动汽车固态电池的竞赛中,谁将获胜(图2)?tJLednc

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预计固态电池商业化将在2025年左右开始。但小批量生产可能会提前实现。根据Yole Développement的数据,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年之后加速增长。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,将加快从混合动力汽车向全电动汽车的转型。未来固态电池将推广到航空航天等其他应用领域。tJLednc

实现固态电池量产是一项艰巨的任务。综合考虑技术、设备、大批量/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紧密合作比以往任何时候都更为重要(图3)。 tJLednc

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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。tJLednc

电动汽车制造商在合作中地位独特,因为它们能够提供超过1亿美元的资金,需要借助固态电池技术来和竞争对手实现差异化,需要使用大容量电池(每辆车中需要大量电池并且每年生产大量车辆),并拥有成熟的销售和分销网络。tJLednc

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。在进一步优化技术和扩大量产规模后,固态电池也将应用到其他领域,但其价值主要还是体现在电动交通应用领域。tJLednc

原文标题:tJLednc

(原文刊登于EDN姐妹网站EE Times欧洲版,参考链接:Solid-State Battery: a Battery Revolution is Coming,由Franklin Zhao编译。)tJLednc

本文为《电子技术设计》2021年12月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里tJLednc

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