近年來(lái)清潔能源汽車發(fā)展迅速，以特斯拉為首的電動(dòng)汽車企業(yè)推出了多款科技感十足的電動(dòng)汽車。通過(guò)不斷的技術(shù)革新，電動(dòng)汽車性能得到了極大的提升，電動(dòng)汽車也從概念產(chǎn)品逐漸進(jìn)入人們的生活。
電動(dòng)汽車符合科技進(jìn)步和時(shí)代發(fā)展的潮流，被越來(lái)越多的人們喜愛(ài)和接受。然而目前電動(dòng)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(wèn)題。解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于電動(dòng)汽車的“油箱”——?jiǎng)恿﹄姵?，可以說(shuō)動(dòng)力電池決定了電動(dòng)汽車的生命力和競(jìng)爭(zhēng)力。目前，作為能源儲(chǔ)存體系之一的鋰離子電池主導(dǎo)了動(dòng)力電池的發(fā)展，這是因?yàn)槠渚哂懈唠妷?、高能量密度、長(zhǎng)壽命和安全性較好的優(yōu)點(diǎn)。
什么是鋰離子電池呢？
鋰離子電池是一種可反復(fù)充放電的二次電池。他的主要組成部分有：正極、負(fù)極、隔膜和電解液。如下圖所示，充電時(shí)鋰離子從正極脫出，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)進(jìn)入到負(fù)極，同時(shí)釋放的電子從外部電路轉(zhuǎn)移至負(fù)極，維持電荷平衡；放電時(shí)鋰離子從負(fù)極脫出，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)進(jìn)入正極，而電子從負(fù)極經(jīng)外部電路到達(dá)正極。在每一次充放電循環(huán)過(guò)程中，鋰離子(Li+)充當(dāng)了電能的搬運(yùn)載體，周而復(fù)始的從正極→負(fù)極→正極來(lái)回的移動(dòng)，與正、負(fù)極材料發(fā)生反應(yīng)，將化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了電荷的轉(zhuǎn)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(lái)源：John B. Goodenough，2013）
容易“激動(dòng)”的正負(fù)電極
鋰離子電池能將電能和化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和釋放，條件之一是正負(fù)極的材料要活潑，要容易氧化和還原，要很“容易”參與化學(xué)反應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。其二是需要存在有電位差的正負(fù)極材料來(lái)實(shí)現(xiàn)電荷移動(dòng)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(zhì)。
負(fù)極通常選擇石墨或其他碳材料做活性物質(zhì)，也是遵循上述的原則，既要求是好的能量載體，又要相對(duì)穩(wěn)定，還要有相對(duì)豐富的儲(chǔ)量，便于大規(guī)模制造，碳元素就是一個(gè)相對(duì)優(yōu)化的選擇。
“放電”也需分場(chǎng)合
如上所述，鋰離子通過(guò)電解質(zhì)流動(dòng)，而反應(yīng)產(chǎn)生的電子通過(guò)外部電路做功。因此，電池系統(tǒng)必須保證鋰離子和電子的流動(dòng)，也就是說(shuō)，它必須是一個(gè)好的離子導(dǎo)體和一個(gè)電子導(dǎo)體。許多電化學(xué)活性材料都不是良好的電子導(dǎo)體，因此需要添加一些導(dǎo)電材料，如炭黑。為了將電極材料和導(dǎo)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(xué)反應(yīng)只能發(fā)生在活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和電解質(zhì)相遇的地方。
雖然鋰離子流經(jīng)電解質(zhì)，但正極和負(fù)極必須在物理上分開(kāi)。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(fù)極“隔離”開(kāi)來(lái)。這要求材料具有良好的離子通過(guò)性，能給鋰離子開(kāi)放通道，讓其可以自由通過(guò)，同時(shí)又是電子的絕緣體，以實(shí)現(xiàn)正負(fù)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(dòng)汽車提升續(xù)航能力的瓶頸在哪？
對(duì)于手機(jī)、筆記本等電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，能量存儲(chǔ)是關(guān)鍵。儲(chǔ)存的電量越多越好，操作時(shí)間越久越好。而對(duì)于一些更大方面的應(yīng)用，如電動(dòng)汽車中的電池，除了對(duì)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(qū)動(dòng)汽車，并在電量耗盡時(shí)能夠進(jìn)行快速地充電。
目前電動(dòng)車存在的問(wèn)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(dòng)汽車汽車的續(xù)航里程取決于它的“油箱”——電池。看到這里可能就會(huì)有人問(wèn)了，為什么不給汽車裝一個(gè)超大的電池呢？
這種想法有沒(méi)有道理呢？答案是有一定道理，但不全對(duì)。并不是電池越大，續(xù)航里程就越高！
增加電動(dòng)汽車的續(xù)航里程分兩種方法：一種是通過(guò)增加電池組的數(shù)量來(lái)提升整體容量，這就是前面提到的“大電池”。這種方法的缺點(diǎn)是汽車整體的重量也會(huì)增加，增加的電池減少了汽車內(nèi)部空間，增加了汽車成本，同時(shí)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(guān)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(chǔ)存的油量提升了，但是油耗也會(huì)相應(yīng)增加，考慮到加油站的分布距離，設(shè)計(jì)為一箱油行使500-600km 是比較合適的。增加電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力的另一種方法是提升電池的能量密度，開(kāi)發(fā)更輕的，容量更高的電池。另一方面，我們可以通過(guò)提升電池的充電速度，讓汽車更快更方便的充滿電，來(lái)提升電動(dòng)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(dòng)汽車成為可能？
國(guó)務(wù)院頒發(fā)的《中國(guó)制造2025》提出2020 年動(dòng)力電池能量密度要達(dá)到 300 Wh/Kg，2025 年達(dá)到 400 Wh/Kg，2030 年能量密度達(dá)到 500 Wh/kg。目前量產(chǎn)動(dòng)力電池單體能量密度在 230±20 Wh/Kg，根據(jù)《中國(guó)制造2025》的要求，結(jié)合現(xiàn)在的技術(shù)路線，我國(guó)的科技工作者提出了使用高鎳正極＋準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)＋硅碳負(fù)極實(shí)現(xiàn) 300 Wh/Kg的目標(biāo)；2025 年使用富鋰正極＋全固態(tài)電解質(zhì)＋硅碳／鋰金屬負(fù)極電池實(shí)現(xiàn) 400 Wh/Kg的目標(biāo)，2030年使用鋰空氣電池、鋰硫電池達(dá)到500 Wh/Kg的目標(biāo)。
鋰離子電池技術(shù)目標(biāo)（圖片來(lái)源：作者自制）
有了這些數(shù)據(jù)，我們還要考慮到電池裝配質(zhì)量以及整車重量，才能對(duì)電動(dòng)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(zhì)量約為2.5噸，可達(dá)到600 km的續(xù)航里程。根據(jù)最近的報(bào)道，特斯拉研制的第三代超級(jí)充電系統(tǒng)，充電速率超過(guò)1000英里/每小時(shí)（約合1609公里/小時(shí)），5分鐘內(nèi)補(bǔ)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(lái)說(shuō)尚不能達(dá)到。如果這一設(shè)想實(shí)現(xiàn)，無(wú)疑將撼動(dòng)燃油汽車的統(tǒng)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，對(duì)電池的充放電速度有了一個(gè)很高的要求。正負(fù)極儲(chǔ)鋰材料的脫鋰嵌鋰速度和在快速充放電過(guò)程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是主要原因。高速充電往往會(huì)使電池發(fā)熱、結(jié)構(gòu)遭到破壞，并降低電池的壽命。這又對(duì)電池的穩(wěn)定性、安全性提出了要求。雖然近年來(lái)氫燃料電池概念汽車多有報(bào)道，但是氫燃料電池汽車需要解決制氫、儲(chǔ)氫、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、車體結(jié)構(gòu)、安全性等等一系列的復(fù)雜問(wèn)題，難以進(jìn)行商業(yè)化使用。總的來(lái)說(shuō)未來(lái)的很長(zhǎng)一段時(shí)間，電動(dòng)汽車電池仍將會(huì)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(xiàn)實(shí)需要滿足以下幾個(gè)條件：（1）材料的能量密度高，即儲(chǔ)存的電能多。（3）在鋰離子插入和脫出時(shí)，材料與鋰的反應(yīng)要非常迅速。 (3)該材料是良好的電子導(dǎo)體。這將會(huì)減少電池的內(nèi)部損耗，進(jìn)一步提升電池的性能。 (4)材料穩(wěn)定。充放電過(guò)程中材料不改變結(jié)構(gòu)或以其他方式分解，材料體積不會(huì)發(fā)生膨脹和形變。(5)材料成本低。這決定了電池和電動(dòng)汽車的價(jià)格。(6)材料環(huán)保。對(duì)環(huán)境無(wú)污染或污染極小、可控。
如果想要實(shí)現(xiàn)“充電五分鐘，續(xù)航五百里”的目標(biāo)，還需要對(duì)電池的工藝技術(shù)和儲(chǔ)能機(jī)理進(jìn)行更加深入的研究和挖掘。相信在不久的將來(lái)，“充電五分鐘，續(xù)航五百里”的電動(dòng)汽車將成為可能！
原文標(biāo)題《電動(dòng)汽車電池的續(xù)航能力為何不好？》
