近年來清潔能源汽車發(fā)展迅速，以特斯拉為首的電動汽車企業(yè)推出了多款科技感十足的電動汽車。通過不斷的技術革新，電動汽車性能得到了極大的提升，電動汽車也從概念產品逐漸進入人們的生活。

 

       電動汽車符合科技進步和時代發(fā)展的潮流，被越來越多的人們喜愛和接受。然而目前電動汽車與燃油汽車相比，還存在著續(xù)航里程短，充電速度慢，成本高等問題。解決問題的關鍵在于電動汽車的“油箱”——動力電池，可以說動力電池決定了電動汽車的生命力和競爭力。目前，作為能源儲存體系之一的鋰離子電池主導了動力電池的發(fā)展，這是因為其具有高電壓、高能量密度、長壽命和安全性較好的優(yōu)點。

 

       什么是鋰離子電池呢？

 

       鋰離子電池是一種可反復充放電的二次電池。他的主要組成部分有：正極、負極、隔膜和電解液。如下圖所示，充電時鋰離子從正極脫出，經過電解質進入到負極，同時釋放的電子從外部電路轉移至負極，維持電荷平衡；放電時鋰離子從負極脫出，經過電解質進入正極，而電子從負極經外部電路到達正極。在每一次充放電循環(huán)過程中，鋰離子(Li+)充當了電能的搬運載體，周而復始的從正極→負極→正極來回的移動，與正、負極材料發(fā)生反應，將化學能和電能相互轉換，實現了電荷的轉移，這就是鋰離子電池的基本原理。

鋰離子電池工作原理圖 （圖片來源：John B. Goodenough，2013）

 

       容易“激動”的正負電極

 

       鋰離子電池能將電能和化學能相互轉換進而實現能量的存儲和釋放，條件之一是正負極的材料要活潑，要容易氧化和還原，要很“容易”參與化學反應從而實現能量轉換。其二是需要存在有電位差的正負極材料來實現電荷移動。經過長期的研究和探索，人們找到了幾種鋰的金屬氧化物，如鈷酸鋰、鈦酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元等材料，作為電池正極活性物質。

 

       負極通常選擇石墨或其他碳材料做活性物質，也是遵循上述的原則，既要求是好的能量載體，又要相對穩(wěn)定，還要有相對豐富的儲量，便于大規(guī)模制造，碳元素就是一個相對優(yōu)化的選擇。

 

      “放電”也需分場合

 

       如上所述，鋰離子通過電解質流動，而反應產生的電子通過外部電路做功。因此，電池系統必須保證鋰離子和電子的流動，也就是說，它必須是一個好的離子導體和一個電子導體。許多電化學活性材料都不是良好的電子導體，因此需要添加一些導電材料，如炭黑。為了將電極材料和導電劑固定在一起，還需要添加一些粘合劑。在這種情況下，電化學反應只能發(fā)生在活性物質、導電劑和電解質相遇的地方。

 

       雖然鋰離子流經電解質，但正極和負極必須在物理上分開。為了防止短路造成能量的劇烈釋放，就需要用一種材料將正負極“隔離”開來。這要求材料具有良好的離子通過性，能給鋰離子開放通道，讓其可以自由通過，同時又是電子的絕緣體，以實現正負極之間的絕緣。目前的鋰離子電池使用的是聚乙烯（polyethylene，PE）、聚丙烯（polypropylene，PP）制備成的多孔隔膜。

 

       電動汽車提升續(xù)航能力的瓶頸在哪？

 

       對于手機、筆記本等電子設備來說，能量存儲是關鍵。儲存的電量越多越好，操作時間越久越好。而對于一些更大方面的應用，如電動汽車中的電池，除了對電池的能量密度有要求之外，功率同樣重要。材料必須能夠快速提供電量以驅動汽車，并在電量耗盡時能夠進行快速地充電。

 

       目前電動車存在的問題是續(xù)航受限！燃油小汽車加滿一箱油的續(xù)航里程在500公里左右，電動汽車汽車的續(xù)航里程取決于它的“油箱”——電池�？吹竭@里可能就會有人問了，為什么不給汽車裝一個超大的電池呢？

 

       這種想法有沒有道理呢？答案是有一定道理，但不全對。并不是電池越大，續(xù)航里程就越高！

 

       增加電動汽車的續(xù)航里程分兩種方法：一種是通過增加電池組的數量來提升整體容量，這就是前面提到的“大電池”。這種方法的缺點是汽車整體的重量也會增加，增加的電池減少了汽車內部空間，增加了汽車成本，同時也增大了電量消耗。因此需要折中考慮電池的重量和續(xù)航里程的關系，尋找最優(yōu)解。以我們身邊的燃油小汽車為例，加滿一箱油大約可以行使500-600 km，如果增大油箱，儲存的油量提升了，但是油耗也會相應增加，考慮到加油站的分布距離，設計為一箱油行使500-600km 是比較合適的。增加電動汽車續(xù)航能力的另一種方法是提升電池的能量密度，開發(fā)更輕的，容量更高的電池。另一方面，我們可以通過提升電池的充電速度，讓汽車更快更方便的充滿電，來提升電動汽車的續(xù)航里程。

 

       怎么讓“充電五分鐘，續(xù)航五百里”的電動汽車成為可能？

 

       國務院頒發(fā)的《中國制造2025》提出2020年動力電池能量密度要達到300Wh/Kg，2025年達到400Wh/Kg，2030年能量密度達到500Wh/kg。目前量產動力電池單體能量密度在230±20Wh/Kg，根據《中國制造2025》的要求，結合現在的技術路線，我國的科技工作者提出了使用高鎳正極＋準固態(tài)電解質＋硅碳負極實現300Wh/Kg的目標；2025年使用富鋰正極＋全固態(tài)電解質＋硅碳／鋰金屬負極電池實現 400Wh/Kg的目標，2030年使用鋰空氣電池、鋰硫電池達到500Wh/Kg的目標。

鋰離子電池技術目標（圖片來源：作者自制）

 

       有了這些數據，我們還要考慮到電池裝配質量以及整車重量，才能對電動汽車的續(xù)航里程有大致的推斷。以特斯拉Model S為例，電池組重量約為1噸，電池容量為約為100KWh，整車質量約為2.5噸，可達到600km的續(xù)航里程。根據最近的報道，特斯拉研制的第三代超級充電系統，充電速率超過1000英里/每小時（約合1609公里/小時），5分鐘內補充最高75英里電量（約合120公里），充電15分鐘就可以行使近270公里。

 

      “充電五分鐘，續(xù)航五百里”，在目前來說尚不能達到。如果這一設想實現，無疑將撼動燃油汽車的統治地位。那么，“充電五分鐘，續(xù)航五百里”真的是可望而不可即嗎？

 

       想實現這一目標，對電池的充放電速度有了一個很高的要求。正負極儲鋰材料的脫鋰嵌鋰速度和在快速充放電過程中的結構穩(wěn)定性是主要原因。高速充電往往會使電池發(fā)熱、結構遭到破壞，并降低電池的壽命。這又對電池的穩(wěn)定性、安全性提出了要求。雖然近年來氫燃料電池概念汽車多有報道，但是氫燃料電池汽車需要解決制氫、儲氫、燃料電池發(fā)動機、車體結構、安全性等等一系列的復雜問題，難以進行商業(yè)化使用。總的來說未來的很長一段時間，電動汽車電池仍將會以鋰離子電池為主。想要把“充電五分鐘，續(xù)航五百里”變?yōu)楝F實需要滿足以下幾個條件：（1）材料的能量密度高，即儲存的電能多。（3）在鋰離子插入和脫出時，材料與鋰的反應要非常迅速。 (3)該材料是良好的電子導體。這將會減少電池的內部損耗，進一步提升電池的性能。 (4)材料穩(wěn)定。充放電過程中材料不改變結構或以其他方式分解，材料體積不會發(fā)生膨脹和形變。(5)材料成本低。這決定了電池和電動汽車的價格。(6)材料環(huán)保。對環(huán)境無污染或污染極小、可控。

 

       如果想要實現“充電五分鐘，續(xù)航五百里”的目標，還需要對電池的工藝技術和儲能機理進行更加深入的研究和挖掘。相信在不久的將來，“充電五分鐘，續(xù)航五百里”的電動汽車將成為可能！