鉅大LARGE | 點擊量：442次 | 2022年09月17日
電池面對五大挑戰硅和石墨烯成新的能源點金石
西媒稱，從美國內華達州里諾市出發，車程大約半小時，一座奇特的建筑物呈現在眼前，下一個十年這里很有可能成為決定技術發展趨勢的地方。它由兩座在沙漠當中建造起來的廠組成，看上去和任何美國郊區的購物中心沒什么差別，但表象永遠是騙人的。2017年，這座耗資將近50億美元的建筑將變成世界上最大的電池制造廠。2020年在達到全部產量時，每年可以出產50萬塊鋰離子電池。
據西班牙某月刊五月號報道，這就是被稱為Gigafactory1的特斯拉首個超級電池廠。電動汽車制造商特斯拉與日本松下公司合作，為解決困擾全世界的技術難題尋找解決方法。鋰離子電池在問世25年后，雖然在性能上已經完善到極致，但也已經再無進步的可能。
報道稱，在沒有其他可行的商業選擇的情況下，特斯拉公司唯一的出路就是新增電池的產量以滿足電動汽車日益上升的市場需求，而且這有關降低設備成本也至關重要。未來特斯拉超級電池廠的產量將相當于2013年全球的電池產量。特斯拉因此可以向市場上推出迄今為止最為經濟的電動汽車。
未來電池面對的五大挑戰
成本。材料僅僅是關系到產品最終價格的其中一個因素。液態電解質的危險性對保存和包裝的要求都非常高，運輸成本因此會新增。最安全和穩定的電池將可以降低電動汽車的成本，對電網中可再生能源的工作也是一種補充。
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%
安全性。雖然30多年來電池的效率和可靠性都有很大提高，但它依然是一種危險的設備，假如在充電和放電過程中沒有適當的保護措施，電池仍然極易燃燒。
數量。電池制造的全球產量每年大約為35千兆瓦時。這一數字仍無法滿足電子消費品和電動汽車制造商的需求。假如想實現汽車工業園的徹底轉型，以及讓鋰離子電池在電網中占有更大份額，就要讓產量翻番。
可回收。鋰離子電池在經過成百上千次充電和放電過程后，性能上就會下降。鋰離子電池可以回收，但這是一個昂貴的過程，而且要專業的勞動力。假如想減少鋰離子電池對環境的危害，未來的鋰離子電池開發就必須更多地關注回收這個環節。
性能。鋰離子電池的能量密度很低，接近于每千克150-250瓦時。為了能真正取代燃料汽車，鋰離子電池在存儲能力上就必須提高。
能源是解決電動汽車成本的關鍵
報道稱，最大的問題在于電池的存儲能力。一塊鋰離子電池的重量能量密度大約為每千克160瓦時。目前市場上最先進的鋰離子電池的能量密度可以達到每千克250瓦時，但價格不菲。作為電動汽車的駕駛者，假如想將來不再為了電池的續航能力而焦慮，就必須把電池的存儲能力至少提高到每千克350瓦時。假如不行，唯一的選擇就是多準備電池和新增汽車重量，或者提高電池充電的成本和時間。
鋰依然是實現質的飛躍的最有誘惑力的材料。因此，各個實驗室都在集中精力做三件事：提高電池正極材料技術；提高負極材料技術；獲得更加有效的電解溶液，假如可以就使用固態電解質，以便提高電池的安全性和設備容量。
硅和石墨烯：新的能源點金石
有關電池正極材料，最有前途的要屬用硅結構代替石墨。在充電過程中每克硅吸收的鋰離子10倍于石墨材料，但問題是更大量的吸收就意味著更大量的擴散。斯坦福大學正在試驗使用納米硅結構，這種材料可以受控制的擴散，但是距離進入商業化階段仍要繼續多年研究。
另一種選擇是用科學界一直在談論的石墨烯代替石墨作為正極材料。這種堪稱“奇跡”的材料由純碳組成。由多層一個原子厚度組成的石墨烯正極吸收的離子量更大，因此在相同重量下可以制造出雙倍的電池容量。但是，這種材料也依然存在一些今天的石墨電池同樣有的難以解決的問題。碳有關充電過程而言并非一種理想材料。
負極材料的更新換代則取得了更好的成果。通過一些納米材料，多個實驗室都實現了更加有效地縮短離子在正負極極片之間流動的距離，從而提高充電速度。
電解質：液態到固態的跨步
但是未來電池最大的變革將是創造新的電解溶液。從液態向固態電解溶液的跨步將讓電池變得更加安全。這樣既可以大幅度地提高電池容量，還可以在更短時間內完成充電。一些公司已經開始生產這種固態電池，有的已經進入商業推廣階段。
巴黎的汽車租賃公司BlueIndy就供應采用固態電池的電動汽車租賃服務。固態電池的制造成本仍然昂貴，而且目前任何一種固態材料都無法證明在效率上能優于液態電池，而且某些固態材料還受到溫度的限制。
最有發展前景的一個研究方向是陶瓷材料。馬里蘭大學已經研制出了高傳導率的方法，可以制造出更加輕便和高效的電池。該大學工程學教授埃里克·瓦克斯曼指出，這種材料的電池更加安全，符合現今從燃料汽車向電動汽車過渡的市場要求。馬里蘭大學的研究項目已經吸引了包括美國航天局在內的很多機構。美國航天局認為能夠解決未來空間任務中的能量儲存問題。
容量更大、充電時間更短的電池將讓交通運輸和消費電子產品都經歷革命，但其最大的影響則是在可再生能源領域。隨著光伏和風力發電的成本日益降低，可再生能源利用在全球日益普及。
風力發電和太陽能板可以間斷性地出現電力，在電力需求低時作為電網的補充。夜間通常是人們的用電高峰。在這樣的時段，仍然必須依靠油氣能源或核能作為重要能源的發電站供應的電力。能夠高速充電和能量密度更高的電池可以彌補電力系統的缺陷，在白天儲存電力供人們夜間使用。
