​优势性能显著 固态电池布局新能源汽车

在2020年，全球新能源汽车销售量达到331.1万辆，同比成长49.8％，2021年的全球销售量逼近340万辆。2025年全球新能源汽车的销量预测将上调到1640万辆，整体渗透率将超过20％。

其中，欧洲和中国的电动汽车新注册量合计占了80％以上。2020年德国注册了39.5万辆新电动汽车，法国18.5万辆，英国17.6万辆。在挪威，电动汽车的销售量以达到了75％的新纪录，比前一年成长约三成。韩国2020年电动汽车的销量达4.6万辆，比重增加了33.3％。在现有政策背景下，全球电动汽车数量到2030年预计将达到约1.45亿辆。在可持续发展的情况下，这个数字更可能达到更高的2.3亿辆。

加速布局固态电池
新能源汽车的核心零组件包括电机、电控、与电池等三大部分，动力电池是新能源汽车的核心零组件，直接决定整车性能。至于电机和电机控制器，也是新能源汽车的核心组件之一。电池占整车成本高达30～45％左右，电机电控约占20～25％，整车和其他部分则占了约20％。

新能源汽车的快速发展，带动了汽车产业内外对于新能源汽车核心零组件的投资热潮。许多国家都在政策的大力推动下，对于新能源汽车的产量、销量及市场需求量都不断增加，对新能源汽车核心零组件的需求量也都持续上涨。

锂电池具有能量密度高、使用寿命长的特点，锂电池目前也正在智能手机、笔记本电脑、电动工具、电动自行车等中小型电池领域被广泛应用，已经成为21 世纪能源经济中一个不可或缺的重要组成元素。然而将锂电池用在汽车、储能等大型电池领域的应用上，还存在一些问题急需解决，其中安全问题是最大的关键。


 
图一 : 液态电池与固态电池比较表。（制表／王岫晨）

目前，全球企业开始加速固态锂电池方面的研究布局，包括欧美日的大众、宝马、丰田等，以及中国的宁德时代、赣锋锂业等企业，都正加快布局的脚步，可望加速固态锂电池的产业化进展。全球固态锂电池的需求量在2025年、2030年分别预期将达到44.2GWh、494.9GWh，到了2030年全球固态电池市场的规模将可望达到1500亿元以上。

抢占固态电池先机
由于受到全球加强环保限制的趋势所影响，纯电动汽车的销售量正加速成长。动力电池是新能源电动汽车的心脏，其性能对于整车将发挥决定性的影响。在当前采用锂离子电池的动力体系下，依靠高镍三元正极、硅碳负极和电解液的组合将在3～5年内达到更好的性能（能量密度上限为350Wh/Kg），但仍无法满足动力锂电池对于安全性、能量密度与成本的严苛要求。

固态电池由于在安全性、可靠性、能量密度、循环寿命等许多层面都拥有非常显著的性能优势，因此在近年来受到了学术界与产业界的广泛关注，也被新能源汽车产业公认为是较为理想的下一代电池技术体系。

目前固态电池市场也已经进入了军备竞赛阶段，例如宁德时代、丰田、三星、大众、本田、戴森、松下、西门子等这些从汽车产业链到电子电器产业链，甚至许多固态电池的初创企业，都争先恐后卯足全力，希望能在固态电池领域抢占先机，赢得未来更大的市场占有率。

从全球的范围来观察，全固态电池预计会在近年开始获得大量应用。在2030年全球固态电池的出货量可能会达到276.8Gwh，整体渗透率预计将保持在10％左右。

以研发技术来观察，日本在固态电池领域目前可以称得上是第一梯队，而中国与韩国、美国同处于第二梯队，而且主要都是以国家等级的研究机构为发展主力。展望未来，固态电池将成为新能车发展蓝图上的必经阶段，各国发展固态电池也将遵循阶段发展的进度，在技术上步步为营，在应用上循序渗透。

开发固态电池的目标是升级传统电池系统的性能水平，提高在能源密度、充电速度、重量与容量方面的表现。然而，受限于严峻的制造技术挑战，固态电池至今仍未进入市场。待接下来几年成本更低、性能更稳定之后，势必将会大量应用于电动车之上。


 
图二 : 固态高效率电源模块

虚拟电池技术助电动车减重
选择将汽车换成纯电动车的消费者，希望能用大型锂离子电池组为马达供电。此外，他们也可能会惊奇地发现，仍然需要有常规12V电池在处理许多燃油汽车所需的相同功能。

这个有些出乎意料的发现，可以解释为汽车制造商正在努力克服一个重大的设计难题：缺乏一个协调的可扩充供电方案，不仅可为马达，而且能为12V长期以来支持的所有汽车子系统供电。

电源需求急剧增加使这种复杂性加剧。纯电动汽车所需的总电源功率比燃油汽车高20倍。20倍的增加意味着电子装置的相应增加，这会增加成本、重量、尺寸以及设计复杂性。

目前的次优解决方案是为电动汽车配备多达三个独立电池：一个400V或800V（牵引电池），以及一个由12V和48V次级电池供电的配电系统。

这种设计困境的最佳解决方案，就在于能否让牵引电池也能与12V电池共享。目前Vicor以固态高效率电源模块转换器与正弦振幅转换器结合使用，可提供12V电池的系统需求，实质上就是建立一个虚拟电池。这种替换策略不仅允许工程师复制12V实体电池的基本属性，还可帮助他们减轻超过25磅的汽车重量，并可节省足够的空间，相当于一个随身携带的小型手提箱的大小。2022年，预计OEM将采用这种模块化的供电方案，他们希望透过增加行驶里程并提高整体效能来实现其汽车产品系列的电气化和差异化。

结语
固态锂离子电池由于具有安全性高、能量密度高等优势，已经成为未来锂离子电池发展的重中之重。其中，固态电解质身为固态电池有别于传统液态电池的关键核心组件，已经逐渐受到各国企业与政府重视。目前，锂电池固态电解质电池展现了更好的性能。学术界及产业界都正在将研究的重心，从固态电解质的开发及性能的提升，转向全固态电池的结构设计和生产制程的开发，并不断有电池样品及试制生产线问世。锂离子电池使用固态电解质是大势所趋，固态电解质及全固态锂离子电池，势必将成为锂离子电池技术发展的一个重要方向。