鉅大LARGE | 點擊量：654次 | 2022年01月21日
充電鋰電池技術發展及對電動汽車的助力 挑戰在于電池材料及工藝
據外媒報道，新一代的電動汽車自10年前起開始出現在路面上。美國佐治亞理工學院的研究人員耗費了一年時間，追蹤了近500名美國駕駛員的駕駛習慣，旨在確認電動汽車是否適合這類人群使用。
研究人員發現，近三分之一的受訪者表示，他（她）們可以用續航里程為100英里（約合160公里）的電動汽車完成其絕大部分出行活動。只有6％的情況所涉及的出行距離較遠，可能要用戶將電量充滿后再出行，或租用一輛汽油車。
如今，電動汽車的發展情況更好了。許多電動汽車續航里程數已遠不止200英里（約合320公里），某些大尺寸、高端車型的續航里程數甚至能達到近400公里。畢竟，仍有許多潛在的購車用戶擔心車輛在半途中電量耗盡。長續航版電池可緩解用戶的"電動汽車里程數焦慮"，但"還有很多坑要填"。
許多電動汽車所搭載的電池都是鋰離子電池，該款產品是索尼公司于1991年實現商業化的電池設計，該類電池的特別之處在于其蓄能容量較高。目前，電動汽車車載電池的能量密度通常為200wh／kg，當代鋰離子電池可將200watt－hour的電勢注入到1千克的電池套件（kit）中。該數據是舊款鉛酸電池的5倍，研究人員們正在持續研究改進，旨在提升鋰離子電池性能。
鋰離子電池的名字取自其內部的鋰離子。但這類電池放電時，陽極會出現鋰離子。然后，該鋰離子將通過電池隔板（只有鋰離子能通過）至電解液中，然后再擴散至陰極。陽極的電子將消失，沿著外部電路進入陰極。在該過程中出現的電流將被用于驅動電機。而在陰極位置，離子和電子重新結合。該情況將持續至用戶通過充電線纜將車輛和充電設備連通時，整個流程將逆轉。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
關于車輛這類重量敏感型應用而言，鋰金屬是化學元素周期表中最輕的一款金屬，但該金屬的（化學）反應性也較高。電芯的構建要非常謹慎，防止瑕疵，否則將可能引發電池短路乃至于電池起火事故。陽極通常由富碳材料（carbon－richmaterial）組成，陰極內的鋰金屬通常容易被部分氧化，從而生成鋰鈷氧化物（lithiumcobaltoxide）。
而鈷金屬是最為昂貴的一款電池材料，電池制造商們都試圖減少該材料的使用量。許多鈷礦都位于剛果民主共和國，而采礦條件非常惡劣，甚至有使用童工的情況出現。業內的主流思路是減少電鈷金屬在鋰離子電池內的使用量，同時調升鎳和錳的用量，以便生產NMC電池（三元鋰離子電池）。
去年，我國最大的電池制造商——CATL開始量產NMC電池，其能量密度達到240wh／kg。而TSLA等其他公司則希望進一步削減甚至擺脫對鈷金屬的依賴，但TSLA卻對其電池計劃的明細內容守口如瓶。
為降低電池材料的成本，隨著CATL、TSLA及其他對手的產量提升，這類電池的價格將穩步下降。據彭博新能源財經透露，2012年鋰離子電池的平均售價為1160美元／千瓦時（約合8204．68元／千瓦時）。到2024年，其售價將低于100美元／千瓦時（約合707．3元／千瓦時）（見圖表）。屆時，和內燃機車相比較，電動汽車的競爭優勢將更大。
為提升電動汽車的續航里程數，許多業內人士將其希望放在固態電池上，而非液態電池上。鋰離子可通過某類固態電解質的"隧道"（tunnelthrough）。這類電池的安全性更高，也有望使用其他電解質材料，從而獲得更高的能量密度。在各類最新的固態電池方法中，三星在韓國和日本的實驗室提出了一款設計，牽頭人為DongminIm。該設計采用了一款NMC陰極、銀、碳復合物組成的陽極及一款基于硫銀鍺礦基材的固態電解質，硫銀鍺礦重要由銀、鍺和硫三類材料組成。
據該團隊于今年三月公布的論文顯示，這類電池的能量密度為900wh／l，這意味著相較于傳統鋰離子電池，在既定（同等）體積下，新電池的容量已實現翻番。該研究小組預計，該類電池的能量密度為430wh／kg，從而將電動汽車的續航里程數提升至800公里。基于硫銀鍺礦基材的電池不會出現名為鋰晶枝的針狀結晶物，該類物質通常在鋰離子電池充電時生成。
該團隊表示，相較于當前的電池，該款固態鋰離子電池更具備成本效益。不幸的是，研究人員表示，目前尚難以確定何時才能該款電池，也不確定應如何量產該款電池，這是電池類設備的通病。德克薩斯大學奧斯汀分校的電池專家ArumugamManthiram指出，固態電池研發過程中的兩大難題。
首先，固態（電極和電解質）面對面放置，將僅限制在電解質和電極間通過的接觸點。相較之下，液態和固態間（電極和電解液）的接觸點是持續的。有一種方式可以克服該難題，即采用一款聚合物電解質（polymerelectrolyte），但材料的柔性需足夠高，確保其表面能和固態電極。Manthiram博士評論道："唉，我們尚未找到良好的聚合物材料。"
第二個問題在于制造。許多固態電解質是陶瓷材質的，非常容易碎，這導致在大批量生產時存在難題，但聚合物就能防止這類難題。然而，仍不得不面對前一個問題——聚合物的選材。
此外，這類鋰離子電池技術領域內的新理念已經足夠成熟，之前的既得利益者們將被迫出局。從液態電解質向固態電解質發展，這意味著要建立一家造價高昂的新廠。此外，研發更優質的液態電解質、采用可匹配的新款電極可能是朝著安全性更高、電量更大鋰離子電池的最可靠的技術路線。
