专题

锂电池技术发展及对电动车的助力 挑战在于电池材料及工艺

作者: 来源:全球汽车快讯 时间:2020-04-29

[摘要]据外媒报道,新一代的电动车自10年前起开始出现在路面上。美国佐治亚理工学院的研究人员耗费了一年时间,追踪了近500名美国驾驶员的驾驶习惯,旨在确认电动车是否适合这类人群使用。


据外媒报道,新一代的电动车自10年前起开始出现在路面上。美国佐治亚理工学院的研究人员耗费了一年时间,追踪了近500名美国驾驶员的驾驶习惯,旨在确认电动车是否适合这类人群使用。


研究人员发现,近三分之一的受访者表示,他(她)们可以用续航里程为100英里(约合160公里)的电动车完成其绝大部分出行活动。只有6%的情况所涉及的出行距离较远,可能需要用户将电量充满后再出行,或租用一辆汽油车。


如今,电动车的发展情况更好了。许多电动车续航里程数已远不止200英里(约合320公里),某些大尺寸、高端车型的续航里程数甚至能达到近400公里。毕竟,仍有许多潜在的购车用户担心车辆在半途中电量耗尽。长续航版电池可缓解用户的“电动车里程数焦虑”,但“还有很多坑要填”。


许多电动车所搭载的电池都是锂离子电池,该款产品是索尼公司于1991年实现商业化的电池设计,该类电池的特别之处在于其蓄能容量较高。目前,电动车车载电池的能量密度通常为200wh/kg,当代锂离子电池可将200 watt-hour的电势注入到1千克的电池套件(kit)中。该数据是旧款铅酸电池的5倍,研究人员们正在持续研究改进,旨在提升锂离子电池性能。


锂离子电池的名字取自其内部的锂离子。但这类电池放电时,阳极会产生锂离子。然后,该锂离子将通过电池隔板(只有锂离子能通过)至电解液中,然后再扩散至阴极。阳极的电子将消失,沿着外部电路进入阴极。在该过程中产生的电流将被用于驱动电机。而在阴极位置,离子和电子重新结合。该情况将持续至用户通过充电线缆将车辆与充电设备连通时,整个流程将逆转。


对于车辆这类重量敏感型应用而言,锂金属是化学元素周期表中最轻的一款金属,但该金属的(化学)反应性也较高。电芯的构建需要非常谨慎,避免瑕疵,否则将可能引发电池短路乃至于电池起火事故。阳极通常由富碳材料(carbon-rich material)组成,阴极内的锂金属通常容易被部分氧化,从而生成锂钴氧化物(lithium cobalt oxide)。


而钴金属是最为昂贵的一款电池材料,电池制造商们都试图减少该材料的使用量。许多钴矿都位于刚果民主共和国,而采矿条件非常恶劣,甚至有使用童工的情况出现。业内的主流思路是减少电钴金属在锂电池内的使用量,同时调升镍和锰的用量,以便生产NMC电池(三元锂电池)。


去年,中国最大的电池制造商——宁德时代开始量产NMC电池,其能量密度达到240wh/kg。而特斯拉等其他公司则希望进一步削减甚至摆脱对钴金属的依赖,但特斯拉却对其电池计划的明细内容守口如瓶。


为降低电池材料的成本,随着宁德时代、特斯拉及其他对手的产能提升,这类电池的价格将稳步下滑。据彭博新能源财经透露,2012年锂电池的平均售价为1160美元/千瓦时(约合8204.68元/千瓦时)。到2024年,其售价将低于100美元/千瓦时(约合707.3元/千瓦时)(见图表)。届时,与内燃机车相比较,电动车的竞争优势将更大。





为提升电动车的续航里程数,许多业内人士将其希望放在固态电池上,而非液态电池上。锂离子可通过某类固态电解质的“隧道”(tunnel through)。这类电池的安全性更高,也有望使用其他电解质材料,从而获得更高的能量密度。在各类最新的固态电池方案中,三星在韩国和日本的实验室提出了一款设计,牵头人为Dongmin Im。该设计采用了一款NMC阴极、银、碳复合物组成的阳极及一款基于硫银锗矿基材的固态电解质,硫银锗矿主要由银、锗和硫三类材料组成。


据该团队于今年3月发布的论文显示,这类电池的能量密度为900wh/l,这意味着相较于传统锂离子电池,在既定(同等)体积下,新电池的容量已实现翻番。该研究小组预计,该类电池的能量密度为430wh/kg,从而将电动车的续航里程数提升至800公里。基于硫银锗矿基材的电池不会产生名为锂晶枝的针状结晶物,该类物质通常在锂电池充电时生成。


该团队表示,相较于当前的电池,该款固态锂电池更具备成本效益。不幸的是,研究人员表示,目前尚难以确定何时才能该款电池,也不确定应如何量产该款电池,这是电池类设备的通病。德克萨斯大学奥斯汀分校的电池专家Arumugam Manthiram指出,固态电池研发过程中的两大难题。


首先,固态(电极与电解质)面对面放置,将仅限制在电解质和电极间通过的接触点。相较之下,液态与固态间(电极与电解液)的接触点是连续的。有一种方式可以克服该难题,即采用一款聚合物电解质(polymer electrolyte),但材料的柔性需足够高,确保其表面能与固态电极。Manthiram博士评论道:“唉,我们尚未找到良好的聚合物材料。”


第二个问题在于制造。许多固态电解质是陶瓷材质的,非常容易碎,这导致在大批量生产时存在难题,但聚合物就能避免这类难题。然而,仍不得不面临前一个问题——聚合物的选材。


此外,这类锂离子电池技术领域内的新理念已经足够成熟,之前的既得利益者们将被迫出局。从液态电解质向固态电解质发展,这意味着需要建立一家造价高昂的新工厂。此外,研发更优质的液态电解质、采用可匹配的新款电极可能是朝着安全性更高、电量更大锂离子电池的最可靠的技术路线。


 

 

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