研究背景
自鋰電池商業(yè)化以來，在提高能量密度，降低成本和改善電池性能方面取得了巨大進(jìn)步。電池技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了電動(dòng)汽車的發(fā)展。由于電動(dòng)汽車可幫助消除汽車排放并減少對石油的依賴，因此幾乎所有汽車制造商都已開始生產(chǎn)電動(dòng)汽車，并且多個(gè)國家/城市已宣布計(jì)劃在未來10至30年內(nèi)禁止內(nèi)燃機(jī)（ICE）汽車。近年來，全球電動(dòng)汽車銷售迅速增長，2018年首次超過200萬輛。盡管如此，電動(dòng)汽車采用率的增長部分受到政府政策和法規(guī)的推動(dòng)，并且電動(dòng)汽車市場份額仍然很?。s2％）。為了與ICE車輛競爭，電動(dòng)汽車仍然需要克服一些障礙，尤其是在電池技術(shù)方面。
成果簡介
目前開發(fā)新型鋰電、鈉電等先進(jìn)儲(chǔ)能器件是非常熱門的研究方向，但最終都要落實(shí)到產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，因此有必要了解目前電動(dòng)汽車電池產(chǎn)業(yè)市場面臨的主要問題及挑戰(zhàn)。基于此，在市場一線的福特汽車公司電氣化分系統(tǒng)和電源部（Department of Electrification Subsystems and Power Supply）的工程師Jie Deng以第一兼通訊作者在Joule發(fā)表題為“Electric Vehicles Batteries: Requirements and Challenges”的評述文章，為科研人員指明科研攻關(guān)方向。
圖1 電動(dòng)汽車電池的要求和挑戰(zhàn)
文章解讀
1. 能量密度。續(xù)航里程是客戶關(guān)于電動(dòng)汽車的主要關(guān)注問題之一，主要取決于電池的能量密度（每單位體積或重量的能量存儲(chǔ)量）。鋰電池具有目前電池技術(shù)中最高的能量密度之一（250~693 Wh/L和100~265 Wh/kg），但仍遠(yuǎn)低于汽油。因此，需要大量的電池才能達(dá)到200~300英里的行駛距離。當(dāng)鋰電池的能量密度接近飽和極限時(shí)，需要開發(fā)超越鋰電的下一代電池（能量密度> 750 Wh/L和> 350 Wh/kg），以更有效地進(jìn)一步擴(kuò)大行駛里程。
發(fā)展方向：電池組增加的硬件進(jìn)一步降低了整體包裝級的能量密度，因此改善電池設(shè)計(jì)和電池組效率對于提高車載電池的能量密度至關(guān)重要。
2. 成本。電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)之一是其運(yùn)行成本相對于內(nèi)燃機(jī)車輛更低。盡管如此，其較高的前期購買價(jià)格仍然是廣泛采用電動(dòng)汽車的主要障礙。由于電池成本決定了電動(dòng)汽車的價(jià)格，因此需要降低其價(jià)格，以使電動(dòng)汽車更加實(shí)惠。自從首次大規(guī)模生產(chǎn)電動(dòng)汽車以來，電池成本已急劇下降（目前每包約為200美元/千瓦時(shí)）。但是，要想具有與內(nèi)燃機(jī)車輛相當(dāng)?shù)某杀?，通常認(rèn)為電池組和電池的成本應(yīng)分別低于125 $/kWh和100 $/kWh。
發(fā)展方向：降低需要一個(gè)能夠內(nèi)聯(lián)控制材料，工藝設(shè)置和電池質(zhì)量的智能產(chǎn)品線，以提高電池性能并降低制造成本。
3. 快速充電。當(dāng)前大多數(shù)電動(dòng)汽車需要數(shù)小時(shí)才能充滿電。例如，在隔夜充電或在工作期間充電時(shí)，此方法效果很好，但在長距離行駛且需要頻繁充電的情況下，這樣做會(huì)帶來不便。近來，電動(dòng)汽車已經(jīng)改善了充電能力，這大大減少了充電時(shí)間。但是，為了達(dá)到在10~15分鐘內(nèi)將EV充電至80％的目標(biāo)，需要付出更多的努力?？焖俪潆姷闹饕系K是電池化學(xué)和材料特性。未來的電動(dòng)汽車需要優(yōu)化充電算法，以實(shí)現(xiàn)快速充電而不影響電池壽命和安全性。
發(fā)展方向：預(yù)熱電池以改善電極動(dòng)力學(xué)，并采用更高電壓的系統(tǒng)來降低電流水平。未來的電動(dòng)汽車需要優(yōu)化充電算法，以實(shí)現(xiàn)快速充電而不影響電池壽命和安全性。
4. 使用壽命。為了最大程度地提高電池性能，電動(dòng)汽車中的電池必須受到充分的約束，以便不僅將其壓縮在模塊中以減少膨脹，還可以通過熱界面材料緊密地連接至冷卻板，以提高冷卻效率。從電池組中更換電池通常需要重新組裝整個(gè)模塊并更換損壞的冷卻板，這可能很昂貴。因此，電動(dòng)汽車電池通常無法維修，并且其使用壽命應(yīng)與車輛的使用壽命相同。根據(jù)美國高級電池協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，電動(dòng)汽車電池的目標(biāo)壽命為15年（電池壽命通常是指電池容量下降到其原始容量的80％的時(shí)間）。
發(fā)展方向：充分了解電池材料降解機(jī)理，適當(dāng)選擇材料以及管理工作條件有助于延長電池壽命；同時(shí)做好電池回收及重復(fù)使用。
5. 環(huán)境適應(yīng)性。由于電池是涉及離子和電子的反應(yīng)和傳輸?shù)碾娀瘜W(xué)系統(tǒng)，因此其性能（例如充電/放電速率或降解機(jī)理）會(huì)受到環(huán)境（尤其是溫度）的影響。例如，高溫允許相對較高的充電速率，但會(huì)增加SEI的生長速率，從而縮短電池壽命。另一方面，低溫會(huì)減慢SEI的增長，但會(huì)刺激鍍鋰。這樣，電池可以針對高溫或低溫進(jìn)行優(yōu)化，但是很難在各種溫度下保持相同的性能。
發(fā)展方向：使用有效的熱管理系統(tǒng)，將電池溫度保持在一定范圍內(nèi)，在需要時(shí)有效地冷卻或加熱電池。優(yōu)化熱管理設(shè)計(jì)，尤其是對于能量密度和快速充電能力不斷提高的電池。
6.安全性。安全性是電動(dòng)汽車電池設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵因素之一，因?yàn)殡姵毓收峡赡軙?huì)導(dǎo)致災(zāi)難性后果。由于安全性的重要性，許多國家/地區(qū)都有有關(guān)電動(dòng)汽車和/或電池的法規(guī)，因此在進(jìn)入市場之前，它們必須通過一系列測試（沖擊，熱，振動(dòng)等）。電池故障可能是由于外部濫用（例如，碰撞，穿透，過度充電/放電，熱斜坡）或內(nèi)部機(jī)制（例如，鋰枝晶生長）引起的。這些事件可能會(huì)觸發(fā)電極上的短路或氧化還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生熱量并激活放熱反應(yīng)，最終導(dǎo)致熱失控。
發(fā)展方向：開發(fā)新型電池材料（難點(diǎn)：大多數(shù)目前會(huì)影響電池性能，因此應(yīng)考慮取舍。例如，水性電解質(zhì)是不可燃的，但是具有狹窄的電化學(xué)穩(wěn)定性窗口，而固態(tài)電池具有較高的機(jī)械剛度，但是具有較高的界面阻抗和較差的循環(huán)穩(wěn)定性）；需配備一個(gè)或多個(gè)安全功能，包括保險(xiǎn)絲，通風(fēng)孔，電流中斷裝置以及用于監(jiān)視電池電壓和溫度的電池管理系統(tǒng)；建立有效的計(jì)算模型（難點(diǎn)：在一個(gè)模型中耦合多個(gè)物理過程；準(zhǔn)確地測量和建模復(fù)雜的材料特性；將仿真從組件級別擴(kuò)展到包裝級別），更經(jīng)濟(jì)地預(yù)測不同條件下的電池故障，這在系統(tǒng)電池設(shè)計(jì)中變得至關(guān)重要。
圖2 從電池組到各個(gè)組件的尺度變化
總結(jié)
在不久的將來，單一電池技術(shù)在所有六個(gè)方面都將超越其他電池將是非常具有挑戰(zhàn)性的。需要權(quán)衡取舍，以平衡電池性能，壽命，成本和安全性。由于電動(dòng)汽車中的電池不能單獨(dú)工作，因此需要準(zhǔn)確而有效的系統(tǒng)級分析來優(yōu)化涉及機(jī)械，熱和電氣組件的電池系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)仿真可以在加速系統(tǒng)電池設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用。特別是，原子尺度的仿真可以幫助選擇關(guān)鍵的電池材料，而連續(xù)尺度的仿真和機(jī)器學(xué)習(xí)可以幫助減少設(shè)計(jì)周期并優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
為了大幅增加電動(dòng)汽車市場份額，僅電池技術(shù)的進(jìn)步還不夠。收費(fèi)基礎(chǔ)設(shè)施和政府法規(guī)等其他因素也至關(guān)重要。充電站的良好覆蓋范圍和能力將進(jìn)一步減輕客戶的擔(dān)憂，適當(dāng)?shù)恼呖梢詾殡妱?dòng)汽車市場的增長創(chuàng)造健康的環(huán)境。預(yù)計(jì)汽車制造商，電池供應(yīng)商，電力提供商和政府的共同努力將有助于刺激客戶的需求并加速電動(dòng)汽車的采用。
文獻(xiàn)信息
Electric Vehicles Batteries: Requirements and Challenges, Joule, 2020. doi:10.1016/j.joule.2020.01.013, https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.01.013.
