固态电池与电动汽车电池技术的未来

文摘汽车 2024-05-23 07:57 山东

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交通和汽车行业正在经历一场快速变革，这已不是什么秘密。电气化正在几乎所有领域蔓延，包括乘用车、商用车、公共交通，甚至摩托车。各国的政策推动了这股热潮的发展，数十亿美元的资金投入到电池制造领域，并为消费者采用电动汽车提供激励措施。这一转变的核心是技术进步，以提高电池产量、电池性能和降低成本。

如何加快电气化进程

电气化需要汽车制造商、电池开采商和制造商、充电公司以及电网运营商等众多团体的贡献。随着转型的加速，电池的不断进步至关重要，以便

降低成本

增加续航里程和安全性，以及

减少对环境的影响。

目前，大多数电动汽车都采用锂离子电池，这种技术在笔记本电脑和智能手机等消费设备上已经应用了几十年。电池化学成分和电池管理系统的改进使得生产出的汽车可以行驶300 多英里，充电只需30分钟，而且成本仅略高于燃油汽车。不过，仍有改进的余地。

当前电池技术的主要障碍是什么？

改进电池技术需要解决三个主要因素：

增加容量--电池所能容纳的能量越多，续航里程就越高，需要充电的次数就越少，理论上也就能降低不愿充电或焦虑的客户对续航里程的焦虑。然而，就目前的技术而言，容量的增加意味着车辆重量的增加。我们的目标是在不增加同样重量的电池单元的情况下提高电池容量。
提高充电速度--如果你的电池容量很小，但充电所需的时间并不比加满油箱的时间长，那么你的电池容量也许就不那么重要了！这就是致力于提高充电速度的团队背后的想法。目前，快速充电的问题在于它依赖于高电压和高安培数，这可能会随着时间的推移损坏当前的电池单元。此外，超级快速充电站需要大量的电力基础设施来提供高功率充电。
降低成本--即使电动汽车的电池容量有限，充电时间需要20-30分钟，只要足够便宜，人们还是会购买。降低电池技术成本的目的是解决关键矿物的供应限制，以及与开采这些矿物相关的环境和社会经济成本。

下一代电池的一些关键创新包括下一代正极和负极、钠离子技术和固态电池。在下文中，小编将逐一介绍这些技术的现状，特别是在循环寿命、充电速率和安全性方面对现有电池技术的改进。

固态电池

传统的锂离子电池由正极、负极、隔膜和电解液组成。

目前的锂离子电池使用一种液态电解质，这种电解质能使电荷四处穿梭，产生电流推动汽车前进。在固态电池中，这种液态溶液被陶瓷或其他固态材料取代。为什么我们偏爱固体而不是液体呢？用不易燃、不可燃的固态隔膜取代液态有机隔膜可大大降低火灾风险。虽然安全是制造商和政府的重要考虑因素，但普通消费者可能更关心汽车的功能：即续航里程和充电速率。

增加电池容量

从理论上讲，增加电池数量或增大电池体积可以最大限度地增加续航里程，但这两种方法都成本高昂，而且需要额外的空间和重量。下一个最佳选择是提高电池的能量密度，即电池在单位空间内可储存多少能量。能量密度是电池化学性质的函数。

例如，上一代电动汽车电池，如丰田公司的铅酸电池，能量密度为 30-50 Wh/kg。而锂离子电池的能量密度可达 150-260 Wh/kg，这使其更能在较小的空间内携带更多的能量，因此更适用于便携式应用。最新研究表明，固态电池的能量密度可能是当前锂离子技术的2-2.5 倍。

提高充电速率

多年来，最大充电速率已大幅提高，从雪佛兰Bolt 的50kW到起亚 EV6 等汽车的 300多kW不等。虽然这项技术还很年轻，但固态电池的充电速度有朝一日可能会比目前的电池快。这可能意味着在5分钟内就能从10%充电到80%！

固态电池：现状

尽管这些电池前景广阔，但固态电解质仍处于早期开发阶段。以下是与该技术相关的一些特殊挑战：

在充电和运输过程中，组件可能会收缩和膨胀，这可能会通过界面分层改变系统的性能和健康状况。
固体电解质由脆性材料制成，在压力作用下可能会破裂。例如，这对车祸有何影响？
与标准锂离子电池相比，成本仍然相对较高。

世界各地的研究人员，如美国能源部橡树岭国家实验室，正在努力更好地了解电池性能所涉及的力学原理。众所周知，机械影响因素（如通过压力和热量产生的应力和应变）会影响电池的性能，但对电池功效和寿命的具体影响尚不完全清楚。不过，事情似乎很有希望：几年前，三星先进技术研究院公布的数据显示，固态电池的放电次数可以超过 1000 次，这意味着电池的输出功率、使用寿命和安全性都有可能得到改善，而且体积更小。在固态电池测试和生产方面，从现实情况来看，量产固态电池的时间更接近于2027年至2028年。同样，丰田公司最近也宣布了该公司固态锂离子电池的突破性进展，宣称其电池对高压和温度的耐受力更强，这意味着其电池将可以实现快速充放电。丰田电池的缺点是寿命明显缩短。丰田公司预计，固态电池将于2027-2028年在下一代电动汽车上投入商业使用，不过他们计划在最初阶段

下一代负极

典型的电池由两个电极组成，这两个电极被隔膜隔开，离子可以在这两个电极之间移动。与电池的其他组件一样，负极的具体材料选择也会影响电池的安全性、充电速度、容量和使用寿命。负极通常由石墨制成，更确切地说，是由合成石墨制成，合成石墨是一种在极高温下生成的石墨碳。与其他关键电池元件一样，石墨的来源也是通过严格的供应链来实现的。虽然合成石墨的生产成本可能比天然石墨低，但它依赖于化石燃料和大量能源，往往会导致相关温室气体的大量排放。制造商和环保组织希望减少负极的碳足迹，同时提高能量密度。硅负极研究已成为这项研究的前沿。

通用汽车公司报告在电化学电池中使用硅的时间比首次使用石墨负极的时间早了近十年。然而，硅很快就被石墨所取代，石墨在20世纪90年代初几乎立即实现了商业化。原因何在？不幸的是，硅有两个特性使其难以大规模使用。首先，在合金化过程中，它的体积往往会膨胀，因此不适合承受持续电化学反应的压力。此外，纯硅负极与其他化学物质的反应活性很高，这意味着它们会与电池中的其他化学物质发生大量二次副反应。简而言之，这些特性阻碍了纯硅负极的商业应用。20世纪90年代中期，也就是石墨负极真正兴起的时候，研究表明，将纳米级硅集成到碳结构中可能会为硅的缺点提供一种解决方案。直到本世纪初，这一结构工程的新分支才真正起步，出现了几家以硅基负极商业化为目标的初创公司。其中一家初创公司Sila Nanotechnologies Inc. 声称，使用 "被称为纳米复合硅的精炼硅材料可减轻电池重量、提高电池续航能力并缩短充电时间"。这意味着，纳米硅电池可能会实现三大发展目标中的某些目标。电池重量更轻意味着汽车行驶所需的能量更少。电池续航能力的提高和充电速度的加快解决了消费者的问题。此外，制造硅基负极可能会解决一些行业对制造电池的环境和碳成本的担忧。2022年中期，梅赛德斯宣布与Sila合作，在2025年采用其硅基负极。同样，通用汽车最近也与OneD Battery Sciences合作，在通用汽车的Ultium电池中加入硅负极。

钠电池

锂是一种丰富的材料，但很难提取用于电池。此外，最近的头条新闻强调了锂开采对环境和社会经济的影响。钠是一种化学性质类似的元素，含量也相当丰富，但价格便宜得多，环境问题也较少。因此，许多团体都有兴趣生产钠基电池，以降低成本和碳足迹。尽管钠的化学性质与锂相似，但钠离子电池的能量密度却比锂离子电池低得多，这是其无法广泛应用的一个主要缺点，尤其是在乘用车领域。不过，钠离子电池的一大优点是对低温的敏感性低于锂离子电池。此外，初步研究表明，钠离子电池可能更耐充放电衰减，从而提高循环寿命。钠离子电池不太可能取代锂离子电池，但很有可能用于某些不需要高能量密度的应用领域（如电网存储）。最起码，钠离子电池的生产，或将钠离子电池整合到主要以锂为基础的电池中，可能有助于减轻纯锂离子电池在获取某些原材料方面的压力和供应链风险。为此，CATL和比亚迪都计划生产钠离子和锂离子电芯混合的电池组。混合使用这两种电池的理由是，钠电池有助于实现低温性能，而锂电池有助于实现标准性能。事实上，大多数钠电池工厂都位于中国，专家预计，两年内，中国将拥有全球约95%的钠电池生产能力。

除了钠离子电池的能量密度降低之外，还有其他一些缺点值得考虑：

钠离子电池正极通常含有钒等有毒物质，
鉴于钠离子电池的低成本，回收钠离子电池可能无利可图。这将增加确保以环保方式进行报废处理的难度。
钠离子与特定材料之间的相互作用要求使用非标准正极，但迄今为止人们对此类化学反应的影响知之甚少。

与纯钠离子电池相关的一些问题可以通过下一代负极和正极、锂离子电池与钠离子电池的混合以及向固态电池结构发展来解决。目前，钠离子电池的功效和安全性还没有定论，许多实验室和行业领导者都在努力揭示这些答案。鉴于钠离子电池能否满足电动汽车在交通领域的需求尚不明确，一些公司（如美国的Natron公司）正从储能和小规模交通（如电动自行车、滑板车）等要求较低的应用入手。

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