中國儲能網(wǎng)訊：在電動汽車上貼一層太陽能薄膜，由此可以產(chǎn)生足夠的電能驅(qū)動車輛。這一美好愿景，有望在不遠的將來變成現(xiàn)實。這種正在加速從實驗室向產(chǎn)業(yè)化過渡的“薄膜”，就是鈣鈦礦電池。
近日，比亞迪發(fā)布投資者關(guān)系活動記錄表，其中表示，比亞迪正積極布局鈣鈦礦電池技術(shù)。無獨有偶，長城汽車旗下光伏企業(yè)極電光能有限公司（以下簡稱“極電光能”）日前宣布，經(jīng)權(quán)威機構(gòu)認證，公司研發(fā)的810.1cm<sup>2</sup>大尺寸鈣鈦礦組件穩(wěn)態(tài)效率達到19.5％，再次刷新紀錄……越來越多的業(yè)內(nèi)外企業(yè)都在積極搶入鈣鈦礦電池技術(shù)新賽道，這一賽道正變得越來越火熱。
有望成下一個風口 國內(nèi)外廣泛布局
公開資料顯示，太陽能電池可以分為三類：第一代晶硅電池、第二代化合物薄膜電池以及第三代新型電池。鈣鈦礦電池屬于第三代新型太陽能電池，是指以鈣鈦礦材料為基礎(chǔ)的太陽能電池，具有高光電轉(zhuǎn)換效率、輕薄柔性等優(yōu)點。作為最具前景的下一代電池技術(shù)之一，鈣鈦礦電池正受到市場追捧。
“比亞迪已積極布局了鈣鈦礦電池技術(shù)。”比亞迪方面表示，隨著晶硅光伏技術(shù)持續(xù)迭代更新，公司實現(xiàn)從PERC（發(fā)射極鈍化和背面接觸電池）技術(shù)向N型TOPCon（隧穿氧化層鈍化接觸電池）和HJT（具有本征非品質(zhì)的異質(zhì)結(jié)）電池技術(shù)的轉(zhuǎn)變，并積極布局鈣鈦礦電池技術(shù)，推動電池轉(zhuǎn)換效率屢創(chuàng)新高，激發(fā)技術(shù)創(chuàng)新活力。實際上，比亞迪早在2008年就成立了擁有獨立光伏業(yè)務(wù)的商洛比亞迪實業(yè)有限公司，并投資5億元啟動了多晶硅和太陽能電池項目。
與比亞迪相比，長城汽車對光伏產(chǎn)業(yè)的布局相對較晚，但研發(fā)進展較快：長城汽車自2017年就招攬人才開始了鈣鈦礦電池技術(shù)研發(fā)；2020年4月，極電光能落地無錫；2022年8月，極電光能宣布，在江蘇省錫山經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)建設(shè)全球首條GW（吉瓦）級鈣鈦礦光伏組件及BIPV（光伏建筑一體化）產(chǎn)品生產(chǎn)線、100噸鈣鈦礦量子點生產(chǎn)線、全球創(chuàng)新中心及總部大樓，計劃投資總額30億元。
值得注意的是，近兩年，多家電池、能源甚至互聯(lián)網(wǎng)等企業(yè)都在“跑步”入局鈣鈦礦電池賽道。2022年底，大力布局鈣鈦礦電池的協(xié)鑫科技宣布完成5億元人民幣的B＋輪融資，而先后參與其融資的不僅有騰訊，也有寧德時代董事長曾毓群任法定代表人的寧德瑞庭投資有限公司。今年7月和8月，深圳市捷佳偉創(chuàng)新能源裝備股份有限公司兩次發(fā)布募資公告稱，公司擬募資用于鈣鈦礦及鈣鈦礦疊層設(shè)備產(chǎn)業(yè)化。
“正如汽車智能化吸引了眾多科技公司跨界入局一樣，在汽車電動化發(fā)展勢頭迅猛、動力電池多種技術(shù)路線競爭的格局下，越來越多的企業(yè)開始跨行業(yè)押注鈣鈦礦電池。”吉林大學汽車工程學院教授李明向《中國汽車報》記者表示，正是因為鈣鈦礦電池潛在的商業(yè)化前景，引發(fā)了眾多企業(yè)的搶入，包括中國核電等能源巨頭也在重點布局鈣鈦礦光伏電池業(yè)務(wù)。
國外同樣在大力布局鈣鈦礦電池。今年5月，美國光伏巨頭First Solar豪擲8000萬美元（目前1美元約合人民幣7.15元）收購歐洲鈣鈦礦技術(shù)領(lǐng)先企業(yè)Evolar AB。今年6月，源自日本京都大學的日本Enecoat Technologies科技公司與豐田汽車宣布，將共同研發(fā)被視為新一代光伏電池首選的鈣鈦礦電池。Enecoat計劃通過與豐田合作來解決鈣鈦礦電池大型化和耐久性課題，進一步推動實用化。雙方計劃將鈣鈦礦電池發(fā)電效率從目前與晶硅光伏電池基本相同的水平提高五成，力爭到2030年將鈣鈦礦電池搭載于純電動汽車上。
“任何一項具有重要價值的先進技術(shù)，都會在全球范圍內(nèi)引發(fā)各層面的關(guān)注?！鄙钲谙冗M技術(shù)研究院研究員余榮錦對此表示。
能量轉(zhuǎn)化效率高 量產(chǎn)面臨現(xiàn)實難題
“從嚴謹?shù)目茖W角度上看，鈣鈦礦不是一種天然礦物質(zhì)，而是一種晶體結(jié)構(gòu)化合物。理論上，它對于可見光具備非常高的吸收和轉(zhuǎn)化效率，具有能制備高效率光伏電池的特性。”北京大學新能源材料與技術(shù)實驗室主任其魯教授告訴記者，與現(xiàn)在大量應(yīng)用的晶硅光伏電池相比，鈣鈦礦電池擁有較多優(yōu)勢。在電能轉(zhuǎn)化效率上，晶硅電池理論轉(zhuǎn)化極限效率為29.43％，鈣鈦礦電池理論上單層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化效率可達33％，雙層結(jié)構(gòu)可達44.3％；至于重量，晶硅電池每平方米重量為10～15公斤，鈣鈦礦電池厚度約為1微米，相當于一張A4紙厚度的1％，實際產(chǎn)品重量為晶硅電池的1/10，且透光性好，可以彎曲，因此將來除了電動汽車可以實現(xiàn)整車覆蓋，還能用于可穿戴設(shè)備上。
當前，鈣鈦礦電池的技術(shù)研發(fā)速度正在提速。“鈣鈦礦電池技術(shù)只用了10年時間就走過了晶硅電池數(shù)十年的發(fā)展歷程，實驗室的轉(zhuǎn)化效率也在不斷提升，但現(xiàn)實難題客觀存在?！比A東汽車新材料技術(shù)研究院研究員林澍文向《中國汽車報》記者介紹，一方面，晶硅光伏電池轉(zhuǎn)化效率由最初的3％提升到目前的26％左右用了近80年時間；而鈣鈦礦電池轉(zhuǎn)化效率由3.8％提升到目前的20％左右，只用了10多年時間，技術(shù)進步速度較快。另一方面，由于很多鈣鈦礦電池研發(fā)機構(gòu)將開發(fā)重點放在提升轉(zhuǎn)化效率上，量產(chǎn)工藝等問題依然有待破解。主要問題包括，在材料上，鈣鈦礦電池相較晶硅電池理論上有顯著降本增效優(yōu)勢，但鈣鈦礦及電池器件相關(guān)材料穩(wěn)定性存在先天缺陷，容易導致組件在運行過程中壽命衰減較快，因此目前鈣鈦礦電池組件的轉(zhuǎn)化效率只有理論值的一半左右，而且現(xiàn)在的鈣鈦礦電池壽命最長約為2～3年，與晶硅電池壽命25～30年相比，實用價值不足。在量產(chǎn)上，與實驗室實驗所用的基本為1cm<sup>2</sup>左右的樣本不同，一些實驗室制備方法無法滿足鈣鈦礦電池大規(guī)模量產(chǎn)要求，即使是目前相關(guān)企業(yè)少量制造的鈣鈦礦電池組件也是成本較高，難以投入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。此外，鈣鈦礦電池制備過程中前驅(qū)體溶液含碘化鉛，需要尋找既可提升性能、又能環(huán)保達標的替代金屬。
“鈣鈦礦電池目前面臨的技術(shù)難題之一，是盡快實現(xiàn)低成本的從實驗室到商用的過程。即使目前有企業(yè)制造出的鈣鈦礦電池組件轉(zhuǎn)化效率達到19.5％，依然低于目前大量使用的晶硅電池組件商業(yè)化應(yīng)用22％左右的轉(zhuǎn)化效率?！庇鄻s錦認為，理論上，鈣鈦礦電池可制成疊層結(jié)構(gòu)或鈣鈦礦與晶硅電池疊加的結(jié)構(gòu)，可以提高轉(zhuǎn)化效率，但這也會帶來工藝成本更高的問題。
可用于車身、車頂、車窗 光能發(fā)電增加續(xù)駛里程
“電動汽車是未來鈣鈦礦電池最有前景的應(yīng)用載體之一?！崩蠲鞅硎荆嚿?、車頂、車窗等處都是鈣鈦礦電池在汽車上應(yīng)用部署的重點位置。例如，在車身上，鈣鈦礦電池可以作為車身涂層來實現(xiàn)光伏發(fā)電，國內(nèi)外已有汽車制造商開始對此進行試驗。同時，車窗可以在玻璃中嵌入鈣鈦礦電池，車頂可以安裝鈣鈦礦光伏電池板，為車輛提供電力支持等。
今年年初上市的全新一代豐田普銳斯Prime插混版車型，可選裝1m<sup>2</sup>傳統(tǒng)晶硅太陽能車頂光伏板，選裝價約合人民幣1.44萬元，據(jù)稱可以通過太陽能充電系統(tǒng)每年最多增加1250公里的續(xù)駛里程，利用太陽能轉(zhuǎn)化的電能數(shù)據(jù)會實時顯示在車內(nèi)顯示屏上。按此計算，平均每天可增加3公里多的續(xù)駛里程。如果未來換成更加高效的鈣鈦礦電池，轉(zhuǎn)化電量和續(xù)駛里程都會大幅增加。
“在新能源汽車上加裝光伏電池板被稱為CIPV（汽車集成光伏），是將光伏與新能源汽車結(jié)合的產(chǎn)物?！绷咒谋硎?，當下，CIPV多數(shù)是通過在車頂安裝光伏電池板為新能源汽車補能，或支持車載供暖、通風和空調(diào)系統(tǒng)等。不過，CIPV仍處于起步階段，主要應(yīng)用的是晶硅光伏電池板。目前，2024款豐田普銳斯Prime、日產(chǎn)聆風、卡瑪菲斯科Revero、現(xiàn)代索納塔和艾尼氪5等車型均可選裝太陽能車頂。如果未來鈣鈦礦電池轉(zhuǎn)化效率提升，可用于車頂、車窗等為新能源汽車補充更多電能。
“近年來，國外已有多家企業(yè)嘗試制造太陽能汽車，但發(fā)展太陽能汽車應(yīng)該有更多系統(tǒng)化創(chuàng)新思路?！庇鄻s錦表示，應(yīng)以系統(tǒng)化思路重新審視太陽能汽車，圍繞鈣鈦礦電池，從汽車整體及各主要零部件方面做適應(yīng)性的優(yōu)化和設(shè)計。例如，在車載能源上，隨著鈣鈦礦電池技術(shù)的不斷發(fā)展，其產(chǎn)品轉(zhuǎn)化效率將逐漸接近理論值。另外，也可采用疊層等方式提高轉(zhuǎn)化效率，從而減少或直接去掉重量占比較高的鋰電池，達到降低車身自重、增加續(xù)駛里程的目的。在車身上，可采用更多輕質(zhì)高強度新材料、一體化鑄造等新工藝，既能大幅降低重量，也能降低能耗。
