电动车电池的未来：锂离子技术的演进

来自《汽车画刊》（Auto Bild）的测试人员对 Taycan 电池的表现赞赏有加。只需要大约 22 分钟，就可以将几乎没电的保时捷 Taycan电池充电至 80 %。这一创纪录的充电速度在跑车领域几乎是必不可少的：喜欢开跑车驰骋的驾驶者也对快速充电有着苛刻要求。“高充电能力对于保时捷而言尤为重要。”保时捷工程集团研发工程师史蒂芬妮·埃德尔伯格博士（Dr. Stefanie Edelberg）说，“运动型驾驶风格会更快消耗电池电量，而客户希望不到一个小时就可以将电池充满。”

如今，驾驶者也确实不用等一个小时了。“汽车电池技术在实践中表现良好，包括在性能、充电时长和使用寿命等方面。”亚琛工业大学电化学能量转换和存储系统技术学科的迪尔克·乌韦·绍尔教授（Prof. Dirk Uwe Sauer）解释说，“但无法同时满足某些极端的属性。毕竟，鱼和熊掌不可兼得。”在保证高能量密度的同时实现快速充电？这样可不行。因为这种组合会影响使用寿命。因此，对于那些所谓的“完美电池”的媒体报道，绍尔教授持怀疑态度，因为通常只有一个参数得到优化，而其他参数却被迫“牺牲”了。“通用型的全能电池不可能出现。”他说。

在可预见的未来，锂离子电池仍是电动车的最佳储能技术选择。由于锂的高活性和电池的高能量密度，可以在较小的空间内存储相对大量的能量。除此之外，锂离子电池还具有良好的易存储性和鲁棒性，因此，纯电动车电池在较大的放电深度下可使用大约2,000 个充电周期。但是，研发人员认为将这一周期翻几倍是可能的。另外，镍镉电池会产生记忆效应，而锂电池则不受这一影响。在频繁部分放电的情况下，镍铬电池会“记住”典型的能量需求，并根据这一“记忆”对其容量进行调整。

此外，在锂离子技术领域，电池化学和电芯设计仍有巨大的发展潜力。能量密度便是受益对象之一：据弗劳恩霍夫系统与创新研究所（ISI）的研究人员称，在过去十年中，用于电动车的大规格锂离子电池组的能量密度几乎提升了一倍，达到如今的 250瓦时/千克比能（或 500 瓦时/升的能量密度）。到2030 年，能量密度可能会再提升两倍。

锂离子电池的其他性能也可进一步改善。“最大的挑战在于快速充电和安全性。”乌尔姆亥姆霍兹研究所电池电化学研究小组主任斯蒂法诺·帕塞里尼博士教授（Prof. Dr. Stefano Passerini）说，“如果可以在 15 分钟或更短时间内快速充电到 80 %，那么电动车将更受欢迎。但快速充电也会提高对安全性的要求。”

快速充电带来的挑战在于，锂原子在充电时会嵌入电极的碳晶体中。在放电时，锂原子又会重新脱嵌。“电池充电速度越快，电荷载体附着在晶体表面、形成金属层并损坏电池的风险就越大。”绍尔教授解释说。因此，容量和性能会因每次过快充电而下降。在极端情况下甚至会发生短路。“遗憾的是，到底怎样才算‘过快’，还真不好说。”绍尔教授说，“各方都在加紧研究如何确定实验室中，更重要的是汽车中‘过快’的含义。”

另外还有其他技术障碍也正在等待着研发人员：充电插头、充电电缆和车载基础设施的设计必须适合大电流，因为“安培会加重负担”。其背后的含义是：大电流意味着粗重的电缆，进而使车辆更添负重。不过，这可以通过较高电压的电池系统来加以平衡。因此，保时捷 Taycan 配备了 800 伏的高压电池系统，而不是电动车中常见的 400 伏电压。

电池放电的 C 倍率是可用于比较不同电池容量的电动汽车充电时间的理想指标（C 代表“容量”）。它是以安培（A）为单位的电化学电池充电或放电电流与以安培小时（Ah）为单位的电荷量之间的比率。值为1表示完全重新充满需要一个小时。值为 2 表示需要半个小时，3 则表示需要 20 分钟。

研发人员的目标是让 C 倍率达到 10，即充电时间约为 6 分钟，这与汽车加油所需时长近似。但目前的水平距离这个目标还很远。西门子、Phoenix Contact E-Mobility、保时捷等公司正合作进行一项名为“FastCharge”的研究项目，致力于改善电动车的能源供应。这一产业联盟已取得了重大进展。一辆电池容量约为 90 千瓦时的保时捷研究车辆，可实现400 千瓦的充电功率，这意味着前 100 公里续航里程的充电时间不到 3 分钟。使用超快充电站将电量为 10 % 的电池充电至 80 % 电量需要 15 分钟。这证明了将 C 倍率从 4 提高到 5 是可行的。“决定性因素在于电池、车辆和充电系统的创新冷却系统。”埃德尔伯格解释说。

固态电池有望在快速充电和安全方面带来突破。固态电池使用聚合物或陶瓷替代液态电解质。由于不再使用液体，电池变得更加紧凑，从而大大提高了能量密度。同时，电池也更不易燃。“我们预计固态锂离子电池可减少安全问题，因为固态液态电解质更不易燃。”帕塞里尼博士教授说。从理论上讲，固态电池也可以更快地充电。“实际可行性尚待证明。”帕塞里尼博士教授谨慎地补充说。

目前深入研究的另一种电池类型仍是以锂为基础：锂硫电池。电池阴极由硫网组成，完全替代了由钴、锰和镍制成的普通晶格结构。这就使锂硫电池比传统的能量存储设备轻得多。但目前其价格也明显更高，所以在未来更有可能用于飞行出租车（flying taxi）。其耐用性也仍然是一个问题。

在目前正在研究的、已投放市场的，或在未来几年内将推向市场的其他可提高能量密度的各种技术中，包括采用碳化硅复合材料制成的电极材料、富含镍的阴极材料或能使电池电压达到约 5 伏的高压材料。“这些领域的研究距离实际应用已经不远了。”绍尔教授说。然而，其他多项技术仍处于基础研究阶段，例如用钠离子代替锂离子或金属氧化物等。

绍尔教授认为，研发中的关键问题是成本。“归根结底，汽车的续航里程并非受电池重量限制，而是受其价格制约。”Horváth & Partners 的咨询师称，锂离子电池每千瓦时的价格已从 2013 年的 400 欧元跌至2019 年的 107 欧元。但由于需求的不断增加，当前的价格下降速度将难以为继。价格变化主要受原材料的影响：“原材料购买成本最高可占到电池总成本的 75 %。”绍尔教授说。

有一点是可以肯定的：在未来十年中，锂离子电池及其所有后续技术发展仍将占据主导地位。“其技术发展将是渐进性的，而不是革命性的。”绍尔教授说，“我不认为会有巨大的技术飞跃，因为我们在今天已经认识到了自然规律的极限。”这不一定是坏事：“这项技术的特性非常优秀，根本不需要用其他事物来取代。目前的电池已经能够很好地支持电动车，未来几年还有进一步发展的潜力。”绍尔教授强调说。

中国将继续保持世界最大的锂离子电池产能，欧洲，尤其是德国，则紧随其后。到下一个十年的末期，中国和欧洲的年产能应该可分别达到413.5 吉瓦时和 173 吉瓦时。

根据弗劳恩霍夫系统与创新研究所的一项研究，至 2020 年初，全球已有超过 750万辆电动车上路。市场研究结果表明，预计从 2030 年起，电动车在全球汽车销售中的份额将达到 25 % 至 75 % 不等。届时，全球对锂离子电池的需求可能会急剧上升：从 2025 年的 500 吉瓦时至 1,500 吉瓦时，提高到 2030 年的 1,000 吉瓦时至6,000 吉瓦时。据弗劳恩霍夫研究人员称，这一需求可以得到满足——尤其是通过来自亚洲的供应商，他们目前的市场份额约为 80 %。不过，其他地区也计划在接下来的十年中大规模投资新建电池工厂。

在锂离子电池中，负极（通常由石墨制成）和正极（通常由过渡金属层状氧化物制成）通过隔膜隔开。带正电的锂离子可以在两个方向上自由移动。放电时，电子由阳极通过外部电路流向阴极，同时带正电的锂离子也会穿过隔板移动至阴极，并迁移到阴极结构中。充电时，外部施加的电压使锂离子移动回到负极。锂特别适合用于电池，因为锂作为所有元素中最轻的金属，特别容易释放其三个电子中的一个。同时，高活性也意味着锂原子容易形成化学键。为防止这种情况，必须防止电池中进入空气或水。

今天，电动车的锂离子电池已做到了续航里程高、充电时间短。但是发展不会停止，固态电池或新的电极材料等新技术可能在未来进一步提高能量密度，甚至进一步缩短充电时间。

本文首次发表于《保时捷工程杂志》2020年第1期。

文字：Chris Löwer
共同撰稿：Stefanie Edelberg 博士

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