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电池技术有了哪些突破

作者:朱 琳 来源:汽车商业评论杂志 发布时间:2022-01-24 浏览:

中国储能网讯: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。

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关键字:动力电池

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