摘 要:隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展,動(dòng)力電池身為核心部件,其性能的提高成為限制產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵要素。傳統(tǒng)鋰離子電池在能量密度、安全性以及循環(huán)壽命等方面已快要接近理論極限,很難契合市場(chǎng)對(duì)高性能動(dòng)力電池的需求。固態(tài)電池技術(shù)作為一項(xiàng)新興的動(dòng)力電池技術(shù),憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)成為新能源汽車領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。文章對(duì)固態(tài)電池技術(shù)的最新進(jìn)展做全面剖析,剖析其在新能源汽車中的應(yīng)用潛力,為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展給予技術(shù)支持與戰(zhàn)略參考。
關(guān)鍵詞:固態(tài)電池技術(shù) 新能源汽車 技術(shù)分析 應(yīng)用研究
固態(tài)電池技術(shù)憑借其具有的高能量密度、出色的安全性以及良好的環(huán)境適應(yīng)性,在新能源汽車領(lǐng)域呈現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。文章對(duì)固態(tài)電池的工作原理、關(guān)鍵材料以及制造工藝給予綜述,并且對(duì)其當(dāng)前的技術(shù)水平展開了分析,剖析了固態(tài)電池在提高新能源汽車能量密度、增加續(xù)航里程、提升安全性與耐久性這些方面所有的優(yōu)勢(shì)以及在環(huán)境影響與回收利用方面的生態(tài)價(jià)值。文章給出了固態(tài)電池技術(shù)在新能源汽車中的應(yīng)用策略,涉及技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)合作、政策支持、市場(chǎng)推廣以及消費(fèi)者教育等多個(gè)方面,案例分析部分以豐田汽車公司作為例子,詳盡闡述了固態(tài)電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐以及市場(chǎng)轉(zhuǎn)化路徑。
1 固態(tài)電池技術(shù)概述
1.1 固態(tài)電池的工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
固態(tài)電池與常規(guī)鋰離子電池有相近的電化學(xué)原理,均依靠鋰離子在正負(fù)極之間的遷移來(lái)完成充放電過(guò)程,其創(chuàng)新之處在于采用固態(tài)電解質(zhì)材料取代傳統(tǒng)電解液。這種材料特性維持了離子的有效傳輸通道,能構(gòu)筑物理屏障防止電極間直接接觸,這種革新設(shè)計(jì)改善了電池體系的安全性能,有效規(guī)避了液態(tài)電解質(zhì)揮發(fā)燃燒等安全隱患[1]。在電極材料選擇方面,兩者仍保持較高兼容性,正極材料普遍采用層狀氧化物體系如LiCoO2或NMC三元材料,負(fù)極則以碳基復(fù)合物或硅碳混合材料為主。得益于固態(tài)結(jié)構(gòu)的致密性特點(diǎn),電池內(nèi)部空間利用率可提升約30%-50%,這使得在同等體積下能儲(chǔ)存更多電能,為移動(dòng)終端和新能源汽車的續(xù)航突破提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
1.2 固態(tài)電池的關(guān)鍵材料與制造工藝
固態(tài)電池技術(shù)的核心突破在于電解質(zhì)體系的創(chuàng)新設(shè)計(jì),目前主流固態(tài)電解質(zhì)可分為氧化物陶瓷、硫化物及聚合物三大體系:氧化物體系憑借優(yōu)異的離子遷移率和化學(xué)惰性成為基礎(chǔ)研究熱點(diǎn),硫化物電解質(zhì)雖呈現(xiàn)超高的離子傳輸效率但需在惰性氣體中操作以防止氧化,而聚合物電解質(zhì)則依靠分子鏈段的可調(diào)控性實(shí)現(xiàn)了機(jī)械性能與成型工藝的平衡。在電極體系構(gòu)建中,高容量與長(zhǎng)循環(huán)壽命正負(fù)極材料的開發(fā)是突破方向,例如采用梯度摻雜技術(shù)的高鎳層狀正極可較大提升工作電壓,多維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的硅碳復(fù)合負(fù)極則有效緩解了體積膨脹問(wèn)題,制造環(huán)節(jié)需著重優(yōu)化材料界面兼容性,憑借熱壓燒結(jié)和磁控濺射工藝制備致密化電解質(zhì)層,結(jié)合微米級(jí)精密涂布技術(shù)實(shí)現(xiàn)電極活性物質(zhì)的三維均勻分布,這些關(guān)鍵工藝的協(xié)同優(yōu)化是保障全固態(tài)電池穩(wěn)定輸出的關(guān)鍵基礎(chǔ)[2]。
1.3 固態(tài)電池技術(shù)的當(dāng)前技術(shù)水平
近年來(lái),固態(tài)電池領(lǐng)域迎來(lái)了突破性發(fā)展,在核心性能指標(biāo)方面,多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)?wèi){借新型硫化物電解質(zhì)體系,成功將能量密度推升至400Wh/kg以上,主流的NCM三元鋰電池提升約45%,為突破電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航瓶頸提供了新方案。在耐久性研究方面,依靠改良正負(fù)極材料配比和界面處理工藝,最新驗(yàn)證數(shù)據(jù)顯示固態(tài)電池在0.5C充放條件下可穩(wěn)定循環(huán)1500次后仍保持83%初始容量。得益于固態(tài)電解質(zhì)的獨(dú)特結(jié)構(gòu),鋰枝晶的生長(zhǎng)得到有效遏制,其熱分解溫度較液態(tài)體系提升了近60%,從根本上解決了熱失控隱患,但產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程仍受多重制約,目前單組電芯制造成本達(dá)到傳統(tǒng)電池的2.3倍,主要源于高純度固態(tài)電解質(zhì)粉體的氣相合成工藝耗時(shí)長(zhǎng)達(dá)72小時(shí)且良品率不足65%。更關(guān)鍵的是,固-固界面的離子傳輸阻抗問(wèn)題仍未攻克,在快充場(chǎng)景下非常突出,導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用中的倍率性能較理論值下降約40%,成為制約商業(yè)化推廣的核心技術(shù)障礙。
2 固態(tài)電池在新能源汽車中的應(yīng)用潛力
2.1 提升能量密度與續(xù)航里程
新能源汽車產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期受制于電池能量密度與續(xù)航能力的雙重制約,而固態(tài)電池技術(shù)的突破正為產(chǎn)業(yè)升級(jí)開辟新路徑。傳統(tǒng)鋰離子電池體系中,液態(tài)電解質(zhì)的存在擠占了寶貴的空間布局,其離子遷移效率還易受溫度波動(dòng)和濃度梯度影響形成性能衰減。相較之下,固態(tài)電池依靠三維致密結(jié)構(gòu)重構(gòu),采用離子導(dǎo)電性優(yōu)異的固態(tài)電解質(zhì)替代液態(tài)體系,使單位體積內(nèi)的活性物質(zhì)承載量獲得較大提升。目前先進(jìn)固態(tài)電池的能量密度指標(biāo)已突破400Wh/kg技術(shù)門檻,較常規(guī)液態(tài)電池200-300Wh/kg的行業(yè)水平實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。以某車企最新研發(fā)的固態(tài)電池模塊為例,其憑借層疊式電極設(shè)計(jì)使有效儲(chǔ)能空間較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提升35%,在﹣10℃的低溫環(huán)境中實(shí)測(cè)仍能維持92%的標(biāo)稱容量。這種技術(shù)突破直接反映在終端產(chǎn)品的續(xù)航表現(xiàn)上,當(dāng)主流電動(dòng)車型仍在500公里續(xù)航區(qū)間徘徊時(shí),采用全固態(tài)電池方案的實(shí)驗(yàn)車型已在工信部測(cè)試中達(dá)成832公里的工況續(xù)航,其中高速工況下的能量損耗率較液態(tài)電池降低28%。某高端品牌即將量產(chǎn)的電動(dòng)跑車借助固態(tài)電池與車身一體化設(shè)計(jì),在保持2.3噸整備質(zhì)量地實(shí)現(xiàn)了單次充電1200公里的極端續(xù)航數(shù)據(jù),徹底改寫了新能源汽車的續(xù)航基準(zhǔn)線。這種革命性突破有效緩解用戶對(duì)于補(bǔ)能頻率的擔(dān)心,使新能源汽車有了與傳統(tǒng)燃油車正面競(jìng)爭(zhēng)長(zhǎng)途出行場(chǎng)景的底氣,在充電基礎(chǔ)設(shè)施尚待完善的區(qū)域市場(chǎng),續(xù)航能力的質(zhì)變正成為撬動(dòng)消費(fèi)決策的關(guān)鍵支點(diǎn)。
2.2 提高安全性與耐久性
新能源汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的安全與耐用提出了更高要求,固態(tài)電池技術(shù)憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)成為破解行業(yè)痛點(diǎn)的關(guān)鍵方案。相較于傳統(tǒng)電解液,固態(tài)電解質(zhì)材料從根本上消除了可燃性風(fēng)險(xiǎn),借助物理結(jié)構(gòu)創(chuàng)新徹底解決電池?zé)崾Э匾l(fā)的燃燒爆炸隱患,在電化學(xué)穩(wěn)定性方面,該項(xiàng)技術(shù)可有效阻斷鋰金屬負(fù)極表面形成枝晶穿刺,這一突破性進(jìn)展使得電池內(nèi)部短路的概率降低。經(jīng)過(guò)界面改性與封裝工藝優(yōu)化的第三代固態(tài)電池,在多次充放電循環(huán)后仍能保持85%的初始容量,其耐用性較主流液態(tài)電池提升3倍,這種技術(shù)革新延長(zhǎng)了電池服役周期、縮減用戶維護(hù)成本,依靠提升核心部件的可靠性強(qiáng)化了整車的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,為消費(fèi)者構(gòu)建起全生命周期的使用信心,推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)形成良性發(fā)展閉環(huán)。
2.3 環(huán)境影響與回收利用
隨著公眾生態(tài)觀念的深化,新能源汽車全生命周期環(huán)境效益成為研究焦點(diǎn)。固態(tài)電池技術(shù)在此領(lǐng)域呈現(xiàn)出獨(dú)特的生態(tài)價(jià)值,生產(chǎn)環(huán)節(jié)中摒棄了傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)體系,有效規(guī)避了揮發(fā)性有機(jī)溶劑泄漏和重金屬污染風(fēng)險(xiǎn),從根本上改善電池制造的環(huán)保屬性。在車輛運(yùn)行維度,固態(tài)電解質(zhì)材料帶來(lái)的能量轉(zhuǎn)化效能較大提升,使單位續(xù)航能耗降低,大幅縮減全周期碳足跡。從資源再生視角分析,其模塊化結(jié)構(gòu)中金屬元素分布相對(duì)集中,鈷酸鋰正極材料可借助梯度浸出技術(shù)實(shí)現(xiàn)92%以上的元素回收率,借助創(chuàng)新回收工藝和優(yōu)化產(chǎn)業(yè)閉環(huán),能緩解戰(zhàn)略金屬資源進(jìn)口壓力,更能將礦產(chǎn)開采的生態(tài)擾動(dòng)指數(shù)降低40%-60%,這種全鏈條環(huán)境友好特性正推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)向“零廢棄”模式轉(zhuǎn)型,為交通領(lǐng)域低碳革命提供技術(shù)支撐。
3 固態(tài)電池技術(shù)在新能源汽車中的應(yīng)用策略
3.1 技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新策略
3.1.1 材料研發(fā)與優(yōu)化
研究重點(diǎn)圍繞固態(tài)電解質(zhì)體系性能突破展開攻關(guān),著力解決離子遷移效率提升與界面相容性優(yōu)化等核心問(wèn)題,科研團(tuán)隊(duì)?wèi){借持續(xù)改良氧化物陶瓷晶界結(jié)構(gòu)、調(diào)控硫化物玻璃形成體網(wǎng)絡(luò)、設(shè)計(jì)聚合物拓?fù)錁?gòu)型等路徑,提高了電解質(zhì)材料的熱力學(xué)穩(wěn)定性與離子傳輸能力。在電極材料創(chuàng)新方面,突破性地開發(fā)了具有高比容量與優(yōu)異循環(huán)特性的新型材料組合,包括富鎳層狀氧化物正極與多孔硅碳復(fù)合負(fù)極,成功構(gòu)建了兼顧能量密度提升與衰減機(jī)制抑制的協(xié)同體系,為新能源汽車動(dòng)力電池技術(shù)革新提供了關(guān)鍵材料支撐[3]。
3.1.2 制造工藝的改進(jìn)與規(guī)?;a(chǎn)
依靠?jī)?yōu)化生產(chǎn)工藝流程,引入薄膜沉積、熱壓燒結(jié)等先進(jìn)工藝技術(shù),可有效提升固態(tài)電池產(chǎn)品的參數(shù)一致性和制造精度。在產(chǎn)線升級(jí)方面,建議構(gòu)建自動(dòng)化生產(chǎn)線并引入智能控制系統(tǒng),提高產(chǎn)品良率和生產(chǎn)效率,同時(shí)減少人工干預(yù)帶來(lái)的質(zhì)量波動(dòng),實(shí)施規(guī)?;a(chǎn)策略后,借助量產(chǎn)效應(yīng)分?jǐn)偳捌谘邪l(fā)和設(shè)備投入,實(shí)現(xiàn)單位制造成本的階梯式下降,為固態(tài)電池在新能源汽車領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用創(chuàng)造必要條件。
3.2 產(chǎn)業(yè)合作與政策支持
3.2.1 產(chǎn)學(xué)研合作模式
汽車產(chǎn)業(yè)構(gòu)建起跨領(lǐng)域協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制,整車企業(yè)與電池供應(yīng)商、科研院所形成多維度協(xié)作網(wǎng)絡(luò),其中主機(jī)廠基于產(chǎn)品端需求提供應(yīng)用場(chǎng)景,配套企業(yè)聚焦生產(chǎn)工藝優(yōu)化與量產(chǎn)落地,學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)則深入探索固態(tài)電解質(zhì)與電極材料的界面穩(wěn)定性等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題,憑借搭建產(chǎn)學(xué)研數(shù)據(jù)共享平臺(tái),多方團(tuán)隊(duì)在電池材料失效機(jī)理領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)聯(lián)合突破,使新型電池技術(shù)研發(fā)周期縮短40%,有效推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈整體技術(shù)迭代和核心競(jìng)爭(zhēng)力提升。
3.2.2 政府政策與資金支持
為加速固態(tài)電池新能源汽車市場(chǎng)推廣,政府協(xié)同推進(jìn)多維政策支持體系,依靠購(gòu)車補(bǔ)貼措施有效調(diào)動(dòng)消費(fèi)積極性。在技術(shù)創(chuàng)新層面,設(shè)立專項(xiàng)研發(fā)基金引導(dǎo)產(chǎn)研深度合作,以系統(tǒng)性政策支持分擔(dān)企業(yè)研發(fā)成本和市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn),強(qiáng)化核心技術(shù)攻關(guān)能力,同步建立囊括材料性能、安全規(guī)范等維度的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)框架,依靠前瞻性制度設(shè)計(jì)構(gòu)建產(chǎn)業(yè)發(fā)展框架,推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同創(chuàng)新。
3.3 市場(chǎng)推廣與消費(fèi)者教育
3.3.1 建立市場(chǎng)認(rèn)知與信任
汽車企業(yè)借助策劃產(chǎn)品發(fā)布會(huì)與用戶體驗(yàn)活動(dòng),動(dòng)態(tài)演示固態(tài)電池車型的長(zhǎng)續(xù)航能力和極端環(huán)境下的安全表現(xiàn),借助多媒體平臺(tái)開展科技傳播,結(jié)合可視化數(shù)據(jù)解讀固態(tài)電池技術(shù)原理與應(yīng)用價(jià)值,深化公眾對(duì)創(chuàng)新技術(shù)的理解,聯(lián)合第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)開展專業(yè)評(píng)估,依靠全維度性能測(cè)試報(bào)告的公開發(fā)布,建立市場(chǎng)信任基礎(chǔ),有效激發(fā)潛在用戶的購(gòu)買意向。
3.3.2 消費(fèi)者教育與市場(chǎng)推廣策略
憑借組織線下科普講堂與線上直播課程相結(jié)合的方式,向公眾系統(tǒng)講解固態(tài)電池的工作原理、性能特點(diǎn)及日常維護(hù)要點(diǎn)。針對(duì)消費(fèi)市場(chǎng)特點(diǎn),制定包含舊車置換補(bǔ)貼、分期付款免息等多元化的購(gòu)車方案,有效緩解用戶購(gòu)置壓力,聯(lián)合主流網(wǎng)約車服務(wù)平臺(tái),在城市交通樞紐區(qū)域優(yōu)先投放千余輛搭載新型固態(tài)電池的運(yùn)營(yíng)車輛,使?jié)撛谟脩粼谌粘Mㄇ谥兄庇^感受快速充電與長(zhǎng)續(xù)航優(yōu)勢(shì),借助場(chǎng)景化體驗(yàn)驅(qū)動(dòng)口碑傳播,形成良性市場(chǎng)循環(huán)。
4 案例分析
4.1 固態(tài)電池技術(shù)在新能源汽車中的成功應(yīng)用案例
以豐田汽車公司為典型案例觀察,其在固態(tài)電池技術(shù)領(lǐng)域的布局已形成獨(dú)特技術(shù)路徑,該企業(yè)創(chuàng)新性地采用基于硫化物的固態(tài)電解質(zhì)材料體系,在材料復(fù)合與界面優(yōu)化層面取得突破性進(jìn)展,成功將離子導(dǎo)電率提升至商業(yè)化應(yīng)用水準(zhǔn)。搭載該技術(shù)體系的試驗(yàn)車型呈現(xiàn)出較大性能優(yōu)勢(shì),在維持相同電池包體積條件下,續(xù)航能力較傳統(tǒng)鋰離子電池車型提升達(dá)200公里,NEDC工況下續(xù)航里程突破700公里門檻,極大緩解了新能源車的里程焦慮癥結(jié)。更具革命性的是其安全性能革新,固態(tài)電解質(zhì)材料的非可燃特性與鋰枝晶抑制能力,使得試驗(yàn)車輛在針刺、熱失控等極端測(cè)試中,成功杜絕了起火或爆炸風(fēng)險(xiǎn),為動(dòng)力電池安全樹立新標(biāo)桿。在產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)方面,企業(yè)憑借改良熱壓成型工藝實(shí)現(xiàn)電極-電解質(zhì)界面的精密制造,同時(shí)協(xié)同松下等合作伙伴構(gòu)建模塊化生產(chǎn)體系,目前半固態(tài)電池的工程樣件良品率已突破85%閾值。市場(chǎng)培育策略上,豐田采取技術(shù)透明化策略,借助專題技術(shù)說(shuō)明會(huì)及實(shí)車體驗(yàn)活動(dòng),向產(chǎn)業(yè)鏈上下游展示電池拆解樣品與實(shí)證數(shù)據(jù),并委托國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)TüV進(jìn)行2000次循環(huán)充放電測(cè)試,第三方檢測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)其容量保持率優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)15%,這種開放式技術(shù)驗(yàn)證機(jī)制有效推動(dòng)了固態(tài)電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化步伐。
4.2 案例分析與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
豐田的產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐指出技術(shù)突破與市場(chǎng)轉(zhuǎn)化之間的動(dòng)態(tài)平衡機(jī)制,以固態(tài)電池研發(fā)為例,該企業(yè)構(gòu)建了“基礎(chǔ)研究-工程轉(zhuǎn)化-產(chǎn)業(yè)應(yīng)用”的全鏈條創(chuàng)新體系,借助定向資助高校實(shí)驗(yàn)室開展固態(tài)電解質(zhì)材料與電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化的專項(xiàng)研究,同時(shí)組建跨學(xué)科工程團(tuán)隊(duì)進(jìn)行工藝適配性改良,這種雙軌并行的研發(fā)模式有效縮短了實(shí)驗(yàn)室成果到生產(chǎn)線的轉(zhuǎn)化周期。在制造體系重構(gòu)方面,豐田創(chuàng)新性地采用模塊化生產(chǎn)單元與數(shù)字孿生技術(shù)的融合方案,實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)優(yōu)化,形成了可彈性調(diào)節(jié)的產(chǎn)能布局,為不同市場(chǎng)階段的產(chǎn)能爬坡提供了柔性支撐。產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同方面,企業(yè)突破傳統(tǒng)供應(yīng)鏈思維,與材料供應(yīng)商、設(shè)備制造商建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,形成覆蓋材料合成、電芯裝配到系統(tǒng)集成的協(xié)同創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò),典型案例是與松下共建的固態(tài)電池聯(lián)合開發(fā)中心,依靠技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)互認(rèn)與專利池共享機(jī)制,形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的產(chǎn)業(yè)閉環(huán)。市場(chǎng)培育維度,豐田構(gòu)建了“技術(shù)驗(yàn)證-場(chǎng)景示范-商業(yè)推廣”的漸進(jìn)式推廣路徑,聯(lián)合第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)開發(fā)可視化電池性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng),依靠場(chǎng)景化營(yíng)銷策略在高端車型中優(yōu)先搭載固態(tài)電池系統(tǒng),借助產(chǎn)品體驗(yàn)官計(jì)劃收集用戶反饋,為市場(chǎng)滲透掃清了認(rèn)知障礙,這種多維協(xié)同的創(chuàng)新范式為行業(yè)提供了可借鑒的產(chǎn)業(yè)化方法論。
5 結(jié)語(yǔ)
綜上所述,固態(tài)電池技術(shù)有性能優(yōu)勢(shì),給新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)新活力,依靠持續(xù)開展技術(shù)研發(fā)、優(yōu)化工藝以及協(xié)同產(chǎn)業(yè)鏈,固態(tài)電池技術(shù)會(huì)漸漸達(dá)成產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,促使新能源汽車在能量密度、安全性、耐久性以及環(huán)境適應(yīng)性等方面都得到提升。隨著固態(tài)電池技術(shù)持續(xù)成熟且成本逐步降低,新能源汽車會(huì)擁有更廣闊的市場(chǎng)前景,對(duì)交通領(lǐng)域的低碳轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展起到關(guān)鍵作用。
參考文獻(xiàn):
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