高能量密度、大功率、長壽命、最高水準的安全性,並且還要以盡可能低的成本實現這一切:電動車電池必須同時滿足諸多要求,而當前佔主導地位的鋰離子技術已經做得很好。不過,幾乎所有參數都還有能改進的空間,學術界和工業界都在緊鑼密鼓地推進研究與開發工作。同時,充滿希望的下一代技術也已經處於起步階段。而鋰離子電池在市場上佔據主導地位並非巧合:鋰原子特別容易失去其三個電子之一,同時鋰也是質量最輕的金屬。這些特性讓鋰元素十分合適作為可充電電池的基礎材料。
Porsche Engineering工程公司電芯專項工程師Dr. Stefanie Edelberg說,「就能量密度而言,純鋰是理想的陽極活性材料。不過,出於安全考慮,目前一般使用能吸收鋰離子的石墨作為陽極活性材料。鋰電池的其他優勢還包括:存儲容量非常高、價格相對較低、使用壽命也很長。」
德國明斯特大學MEET電池研究中心商業技術總監Dr.Falko Schappacher表示,「鋰電池在經過1,500至3,000個完整充電週期後仍可剩餘初始能量密度的80%,這一點可以輕鬆實現,沒有任何問題。」按照目前的預測,車載電池的使用壽命可達到一百萬公里的行駛里程。
陽極的優化
鋰離子技術是一種由許多元件構成的系統,因此有很多環節存在進一步優化的空間。陽極就是其中之一:目前常用的陽極活性材料是石墨,而矽則是新的極具吸引力的替代方案,它提供的儲電容量要高出10倍。Schappacher博士強調說,「矽陽極會顯著提高鋰離子電池的整體能量密度。」Edelberg博士也指出,「矽的一大優勢在於,就重量而言,其儲電能力僅次於鋰,因此有望實現能量密度極高的電池。而且,它也是地殼中含量第二豐富的元素。」此外,她還認為,使用矽材料的電池可以具備極出色的快速充電能力,例如:在15分鐘內即可從5%充至80%。
然而,矽顆粒在吸收鋰時體積會膨脹300%,因此會對材料和電極產生機械應力。如果電極表面因此受損,那麼電池的使用壽命也會受到影響。Edelberg博士表示,「使用純矽活性材料,可以最大限度地提高能量密度,但也會面臨使用壽命極大縮短的缺點。」儘管如此,業界依然在加緊研究高矽含量陽極,最高達80%。例如:Cellforce正與Porsche合作探索這一技術路線。
註:石墨陽極需要4個碳原子才能吸住1個鋰離子;而1個矽原子卻能吸住4個鋰離子,所以能有更佳的導電性。但是,矽在鋰電池充電時會膨脹300%,而現在發達的奈米技術配合專門的導電添加劑和黏合劑,可控制膨脹的問題。
提高陰極中的鎳含量
除了陽極之外,業界也在努力優化陰極所用的活性材料。陰極材料需要具備儲能容量大、電化學勢能高的性質。目前,歐洲電動車行業最常使用的材料是鎳鈷錳酸鋰(NCM,即三元鋰電池),其中鎳、鈷、錳的比例為 6:2:2。
將來,鎳的含量可能會繼續提高,鈷和錳的用量則相應降低。鎳含量提高可以提升儲能容量。另外,隔膜也是另一大潛在優化手段:它由非常薄(10至20微米)的薄膜組成,材料多為聚乙烯或聚丙烯。不過,使用隔膜就需要犧牲一定的安裝空間和重量。Edelberg博士說,「隔膜可以間接提高電芯能量密度。隔膜越薄,在電芯中就可以設置更多層或更多卷電極。如此便可以提高電芯容量和能量密度。」
緊湊型固態電池
目前,業界正在積極研究固態電池,它需要的安裝空間可能比傳統的鋰離子電池少得多。固態電池不使用電解液,而是使用固體電解質載體。Edelberg博士解釋說,「在固態電池中,傳統的隔膜完全被一層薄薄的固態電解質取代。可以說,固態電解質發揮了電解液和隔膜的雙重作用。」
使用純矽活性材料,可以最大限度地提高能量密度
由於固態電池摒棄了液態電解質,並使用鋰金屬陽極,研究人員認為,其能量密度有望提升高達50%,此外還有充電速度大大加快、固態電解質不易燃…等潛在優勢。Schappacher博士認為,與鋰-空氣電池等其他發展方向相比,鋰基固態電池(SSB)是「一種很有希望的鋰離子電池的替代選項」。
至於鈉離子電池由於能量密度較低,尤其適合地區儲能應用。鋰-空氣技術仍然面臨許多挑戰,就目前的情況來看,幾乎沒有任何優勢可言。Edelberg博士同樣認為:目前和不久的將來,鋰-空氣電池依然只能停留在基礎研究課題階段。然而,調整電芯化學成分並不是優化電池的唯一方法,電芯感測器技術和包裝方面同樣有提升潛力可以挖掘。
如果安裝在電池中的感測器可以更加精確、快速地記錄電池狀態,就可以縮短充電時間,例如:透過在特殊電壓範圍內的快速充電能力實現這一點。另外,還可以更精確地控制電芯冷卻系統,這也有利於延長壽命。
在未來性能更強大的電池中,包裝和電芯設計也將起到不可忽視的作用。例如:可以透過無模組(Cell-to-Pack)技術將電芯直接整合成電池組。亥姆霍茲研究所(HIU)所長、卡爾斯魯厄理工學院(KIT)儲能系統研究所負責人博士教授Prof.Dr. Maximilian Fichtner說,「這打破了目前電池規模較小的局限性。現在,我們不用再將大量巧克力棒大小的電芯一一連接,而是可以將一系列長達1.20米的電芯橫向安裝,緊緊地塞進一個框架中,就像床的板條框架一樣。」這樣一來,就能在更小的空間內實現更大的儲電容量和更好的冷卻效果。
更大的潛力
Fichtner博士說,「從中期來看,將新的陽極化學成分與電芯密集包裝相結合,我們有望將續航里程提升到1,300公里。」Schappacher博士對此也持樂觀態度,並表示,「不過,技術飛躍總是很難預測,尤其是像固態電池這樣的重大飛躍。我相信,高檔車的續航里程有望增加30%至50%。」這位專家預測說,並且還進一步強調:比增加續航里程更重要的,是快速充電能力。據Schappacher博士預計,在未來,快速充電到80%將不會比在加油站加油所需的時間多出很多。
Cellforce Group運營長Markus Gräf解釋說,「現在的Taycan只需22.5分鐘即可從5%充電到80%。如果將矽用作陽極材料,在中期內有望將這一時間縮短至15分鐘以內,長期來看甚至有可能遠低於15分鐘。」
不過,這也要求研發性能更強大的新型充電樁。此外,將來可能需要對充電插座進行主動冷卻,以便安全傳輸超過500 kW的大充電功率。目前業界正在積極推進研發工作,致力於進一步優化鋰離子電池、發展固態電池等新興技術,並且有望在未來幾年內為電能儲存系統的性能帶來顯著飛躍,讓電動車更具吸引力。