电池技术有了哪些突破

撰文 / 朱 琳
编辑 / 张霖郁
设计 / 师玉超
来源 / thedetroitbureau、mitechnews，作者：Paul A. Eisenstein、Mike Brennan

2022年可能是一个转折点，标志着纯电动汽车终于开始成为汽车市场主流，至少根据美国银行证券公司的一份新报告来看是如此。然而，最近仍有一些研究发现，大多数驾驶者对购买纯电动汽车犹豫不决，因为在潜在买家看来，有限的续航能力是他们最大担忧之一。

今天的纯电动汽车在单次充电后可行驶的里程，比五年前多很多。如今许多电动汽车的EPA标准续航估值超过了300英里（482公里）。Lucid Air的一个新版本甚至突破了500英里（804公里）的大关。

但大多数电动汽车仍远未达到这些数字，某些调查显示，潜在客户希望续航达到400英里（643公里）以上，才会考虑购买纯电动汽车。

他们可能很快就会得到他们想要的东西。至少现在已经有不少新出的概念车，以及一些来自实验项目和电池研究实验室的报告，显示他们已经做到。

梅赛德斯-奔驰新推出的Vision EQXX概念车，续航里程为625英里（1005公里）。电池初创公司ONE（Our Next Energy）研发的原型电池包，据称充电后可行驶700英里（1126公里）以上。

密歇根大学的研究人员声称，他们已经开发出一种新的电池技术，可以使锂离子电池的续航能力在现有基础上提高五倍，同时还可以降低生产成本。

续航能力大幅增加

Guidehouse Insights的首席汽车分析师萨姆·阿布萨米德（Sam Abuelsamid）说：“到2025年左右，我们肯定会看到这其中的一些产品进入市场，带来很大的改进。”

阿布萨米德说，这可能意味着“同样大小的电池，续航能力可提高2.5到3倍”，如果是同样重量的电池，那么续航能力至少提高一倍。他还说，未来的电池也会更轻、更小，并有可能更便宜。

汽车制造商和电池生产商正在努力缩小电池的尺寸和成本，同时增加续航能力▼

为了实现这些目标，汽车和电池工程师大致采取以下三种方法：

• 重新设计电池包

• 改进当前锂离子电池的化学特性

• 想出替代的化学方法，如固态电池或铝空气电池

梅赛德斯EQXX概念车使用第一种方法，即重新设计电池包，使其在更小的空间内拥有比既往量产车型多一倍以上的电力。

现在的电池包通常的组装方式是这样的：许多单独的锂离子电芯组成模组，而这些模组又与电池控制系统一起排列在一个更大的电池包中。

这种乐高积木式组合方法的好处是，在单个电芯出现故障时，只需拉出其中一个模组，就能轻松更换。不过，随着最新的电池拥有持续运行10万（16万公里）至20万英里（32万公里）或更多的能力，电芯故障已经不是什么值得关注的大问题了。

今天，只有大约三分之一的电池包是直接由电芯组成的。据阿布萨米德等专家称，通过消除单独的、可移除的模组，这一比例可跃升至80%或更高。这意味着要么是更多的续航里程，要么是更小、更轻、更便宜的电池包。

真正的突破即将到来

但是阿布萨米德说，这种“无模组电池”的方法并不是真正的“突破”。要产生真正的重大改进，需要关注化学问题。这里有各种不同的方法，首先要说的是当今的“黄金标准”——锂离子电池。

在锂离子电池中，负极或阳极通常是由石墨制成，并渗透了其他化学物质，如锂。一些研究用硅取代石墨，因为硅可以吸收更多的锂。这就意味着可以储存更多能量，或称之为更大的“能量密度”。

这种方法也面临着它独特的挑战：硅阳极更容易膨胀和断裂，这就限制了其在汽车环境中的应用，至少目前是这样。

福特公司预计每年将生产足够的电动汽车电池，为100万辆汽车提供动力▼

人们正在采取各种其他方法来改进锂离子电池。而下一个重大推动力是寻找全新的化学成分。

在密歇根大学，研究人员声称已经更新了一项相关技术，即锂硫电池。众所周知，这种化学成分可以储存更多的能量，但它无法很好地工作。最大的问题在于它的充放电循环次数有限。

密歇根州安阿伯市的研究人员想出了一个新颖的解决方案，使用从凯夫拉尔（制造防弹背心的材料）中回收的芳纶纳米纤维。

“我们的综合系统方法让我们能够解决锂硫电池所面临的首要挑战。”尼古拉斯·科托夫（Nicholas Kotov）教授在接受《密歇根技术新闻》采访时说。

如果这项研究取得成功，锂硫电池可以使续航能力提高五倍。科托夫说，该电池设计“几乎完美”，其容量和效率接近理论极限。它还可以处理极端温度，从烈日下充电的高温到冬天的严寒。不过，现实世界中，电池的循环寿命可能会因为快速充电而缩短，这款电池大概可以经历1000个循环，也就是大约拥有十年的寿命。

澳大利亚初创公司GMG正在尝试从锂离子电池转向铝离子电池▼

多年来，人们还研究了许多其他有前途的替代化学成分，如钠硫电池。还有很多材料正在开发中，包括石墨烯制造集团（Graphene Manufacturing Group，简称GMG）正在研究的铝离子电池。这家来自澳大利亚的公司声称，该技术不仅能以较低的成本获得更高的续航能力，而且充电速度比当前的锂离子电池快60倍，这比加满一个油箱还要快。

目前，最有可能取得突破的是固态电池。它的基本化学成分与现有的锂离子技术相似，但内部的电解质不再是化学浆液，而是泡沫或陶瓷等固体。它的好处是多方面的：也许是两倍的续航里程、更长的寿命、更低的火灾风险、更快的充电速度和更低的成本。

日产公司最近估计，电池成本将下降到每千瓦时75美元或更少，大约是目前的一半。还有一些预测预计每千瓦时将下降到50美元，对于一辆续航里程为400英里（643公里）的汽车来说，这可能意味着比现在节省1万美元以上。

从实验室到路上

到目前为止，固态电池仍局限于实验室应用，但一些汽车制造商2022年将在公路上测试更大的固态电池。

丰田公司的首席科学家吉尔·普拉特（Gill Pratt）在1月份表示，该公司预计在2025年之前将固态电池“商业化”，用于一款未命名的混合动力车。与此同时，日产公司表示，它将在2024年推出一个固态电池“试点”工厂，四年后将会有更高的产量。

丰田的吉尔·普拉特透露，该公司计划首先在混合动力车上使用固态电池▼

对汽车行业来说，新电池技术的即将到来，既是一种祝福也是一种诅咒。那些能够提高续航能力、加快充电速度、降低生产成本的制造商，将拥有潜在的巨大竞争优势。

但汽车制造商不能观望等待。他们以及像韩国LG化学这样的电池组件生产商，必须现在就开始推出使用现有电池技术的车辆。而一个新的电池厂将耗资数十亿美元。

例如，福特公司在2021年秋天时承诺，要在肯塔基州和田纳西州建立三个电池厂，将能够为100万辆纯电动汽车提供足够的锂离子电池。同时，福特也在与SK创新合作设计这些工厂，一旦固态电池被证明是可行的，就可以快速转向固态技术。

汽车制造商很清楚，电动汽车的时代正在迅速到来。他们也知道，需要更好的电池来赢得大多数车主的青睐。实验室里有许多充满前景的突破，在未来三到五年内，我们将会了解到，哪些技术在道路上是可行的。