電池突破路在何方?

Heinrich Lingner

我們都知道，這個(gè)世界并不公平。即使是約翰·威廉·里特（Johann Wilhelm Ritter）或許也會這么想，這位出生于西里西亞的藥劑師和物理學(xué)家1810年在慕尼黑死于貧困，享年只有33歲。在去世的幾年前，他發(fā)明了蓄電池，也就是所謂的Ritter充電樁。將銅片和浸有食用鹽水的紙板片堆疊在玻璃管中，在給玻璃管充電后，即使取下充電器也會有電流釋放出。但是現(xiàn)在電動汽車中所采用的先進(jìn)的鋰聚合物蓄電池并非以這種簡單的方式工作。可充電電池以化學(xué)方式存儲電能，再將其作為電能加以釋放。每次電能轉(zhuǎn)換時(shí)，都會有一部分傳輸?shù)哪芰苛粼陔娐分校@個(gè)特點(diǎn)與熱力學(xué)定律有相似之處。

最適用于電池的元素是鋰，鋰電池（Lithium battery）是指電化學(xué)體系中含有鋰（包括金屬鋰、鋰合金和鋰離子、鋰聚合物）的電池。鋰電池大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰金屬電池通常是不可充電的，且內(nèi)含金屬態(tài)的鋰。而鋰離子電池中不含金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的。鋰離子電池一般使用鋰合金金屬氧化物作為正極材料、石墨作為負(fù)極材料。由于鋰金屬的化學(xué)特性非常活潑，使鋰金屬的加工、保存、使用，對環(huán)境有非常高的要求，所以鋰電池的生產(chǎn)要在特殊的環(huán)境條件下進(jìn)行。因此雖然鋰電池很早就被研發(fā)出來，卻沒有得到廣泛應(yīng)用。隨著20世紀(jì)末電子技術(shù)的發(fā)展，以及小型設(shè)備的日益增多，對電源也提出了很高的要求，因此大部分針對電池的研究都集中到鋰離子電池上（參見第139頁）。

對電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的正極上會有鋰離子生成，生成的鋰離子通過電解液運(yùn)動到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳，呈層狀結(jié)構(gòu)，且有很多微孔，達(dá)到負(fù)極的鋰離子會嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，則充電容量越高。同樣，對電池進(jìn)行放電時(shí)，嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，再次運(yùn)動回正極。回到正極的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。因此充放電的過程，就是鋰離子處于從正極→負(fù)極→正極的運(yùn)動狀態(tài)。

第一款鋰離子電池于在20世紀(jì)70年代初在慕尼黑研發(fā)而成，但并未在實(shí)際中得到充分使用。80年代中期，隨著數(shù)碼產(chǎn)品如手機(jī)、筆記本電腦等產(chǎn)品的大量出現(xiàn)，鋰離子電池憑借其優(yōu)異的性能得到了廣泛應(yīng)用。而在電動汽車的使用中，長久以來，需要解決的一個(gè)問題就是電池的能量密度問題。雖然在鋰離子的技術(shù)方面已有進(jìn)步，但是進(jìn)度幅度并不算大。能量密度是指在一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲存能量的大小，電池的能量密度用于比較單位體積的電池所儲存的電量，以兆焦/千克（MJ / kg）為單位。

從第137頁的圖表我們可以看出，近年來，在電池研發(fā)方面沒有取得什么太大的進(jìn)展。當(dāng)然，我們還可以換一種方式說明：如果加滿一千克的柴油，一輛省油的現(xiàn)代汽車可行駛20公里，如果搭載一千克重的鋰聚合物蓄電池的電動汽車，則其續(xù)航里程也許會多出1公里。專家估計(jì)，使用鋰離子蓄電池或鋰聚合物蓄電池會增加電動汽車的續(xù)航里程，但我們不要期待會有太大的飛躍。此外，續(xù)航里程與溫度有關(guān)——系統(tǒng)溫度越低，釋放的能量越少。在低溫狀態(tài)下，采用鋰聚合物電池的效果就像鄰居小型柴油貨車中的老舊鉛酸啟動電池一般。

鋰聚合物是鋰離子電池中的電解質(zhì)液體，可由聚合物塑料凝膠代替。其優(yōu)點(diǎn)是，電池幾乎可以制成任何形狀，而且具有比鋰離子電池更高的能量密度。但是，由于這種電池容易自燃，所以需要搭載非常昂貴的充電和溫度管理系統(tǒng)。這是一個(gè)三星和特斯拉不得不面對的嚴(yán)峻問題。

目前尚無完美的電池

電池在供電運(yùn)行方面的另一個(gè)缺點(diǎn)或許對于汽車來說并不嚴(yán)重，但對于飛機(jī)來說至關(guān)重要：當(dāng)液體燃料燃燒，并處于氣態(tài)的時(shí)候，運(yùn)輸工具或飛機(jī)會變得更加容易操作，而電池的重量保持不變。盡管電池化學(xué)原理基本是相同的，研究人員還是期望在固態(tài)電池的技術(shù)方面有所突破。但是，將電極材料和電解質(zhì)層以微米薄的厚度壓到隔膜材料上，其生產(chǎn)工藝更為復(fù)雜，生產(chǎn)成本也特別高。

雖然目前正在對其他可獲得離子的金屬進(jìn)行研究，但是，無論如何，目前電池的配方中還是需要用到價(jià)格較為昂貴的鋰和鈷。另外，還有一些問題尚待解決，例如電極材料與電解質(zhì)有效接觸較弱，界面阻抗較大等。然而，汽車制造商對固態(tài)電池仍然是寄予厚望的。但是，是否能夠量產(chǎn)呢？目前尚不得而知。

對于液體電池或氧化還原蓄電池來說更是如此。這些電池可以作為大型能量存儲裝置使用，例如用于風(fēng)力渦輪機(jī)的浮充蓄電池。電解液經(jīng)過正極和負(fù)極，電極被離子滲透膜隔開。

NanoFlowcell公司推出了搭載液流電池系統(tǒng)的車型。在液流電池中，電極部分和電解液部分是分離的，在充放電的過程中，電解液在泵的作用下通過電極，電解液中的電解質(zhì)在電極處發(fā)生氧化還原反應(yīng)，釋放吸收電子。在需要補(bǔ)充能量的時(shí)候，只需要更換掉原來的電解液即可，甚至充電的速度還快。雖然NanoFlowcell已經(jīng)在日內(nèi)瓦車展上展示了這款原型車，但電池性能究竟如何，仍然需要進(jìn)一步進(jìn)行測試加以驗(yàn)證。因此，在繼約翰·威廉·里特研發(fā)出蓄電池之后的208年，我們找尋完美電池的艱巨任務(wù)仍在繼續(xù)。

能量密度

能量密度（測量單位：兆焦 / 千克）是研究電池所要面臨的難題之一。汽油和天然氣的能量密度是所有類型電池的很多倍。現(xiàn)在已經(jīng)研發(fā)出一種能量密度4到5 兆焦 / 千克的、非常適合日常使用的車用動力電池

奧迪 e-tron的內(nèi)部電池結(jié)構(gòu)

e-tron搭載兩臺電動機(jī)，最大綜合功率可達(dá)300千瓦，95千瓦時(shí)的鋰電池包由432塊電池組成：與保時(shí)捷Taycan和捷豹I-Pace相比，奧迪e-tron是迄今為止在技術(shù)方面投入資金最多的車型之一。下面我們來看看它電池和電動機(jī)的具體構(gòu)造：

電池制造商及其聯(lián)盟

亞洲電池生產(chǎn)商的主導(dǎo)地位相當(dāng)穩(wěn)固，幾乎無法改變。

以下是對大型電池制造商、客戶和電池制造商新聯(lián)盟的簡要介紹：

無論是中國的比亞迪和寧德時(shí)代（CATL），還是松下、LG化學(xué)和三星，都是世界上較大的電池制造商，目前正在承接大量訂單。最近，戴姆勒在這些亞洲企業(yè)訂購了價(jià)值200億歐元的電池。例如，寧德時(shí)代（CATL）將花費(fèi)2.4億歐元在聯(lián)邦德國圖林根州設(shè)立超級電池工廠（Gigafactory），并為寶馬制造價(jià)值40億歐元的電池。三星也將積極參與到為寶馬制造電池的項(xiàng)目中。大眾不僅確定CATL、LG 化學(xué)和三星作為合作伙伴，現(xiàn)在還增加了SK Innovation。究其原因，是因?yàn)楝F(xiàn)在對電池的需求量實(shí)在是太高了。到2025年，該集團(tuán)每年電池至少需要達(dá)到150GWh的產(chǎn)能。相比之下：特斯拉和松下的目標(biāo)是在內(nèi)華達(dá)州最大的電池廠達(dá)到35GWh的產(chǎn)能。有趣的是，電池制造商們也在打造自己的聯(lián)盟。雷諾、日產(chǎn)和三菱共同投資智能初創(chuàng)企業(yè)，例如Ionic Materials公司和大眾汽車就在美國的QuantumScape公司投資了1億歐元。馬自達(dá)、豐田和Denso也在積極合作，進(jìn)行電池項(xiàng)目的研發(fā)。但是這些企業(yè)的研發(fā)目標(biāo)都是：固態(tài)電池。

電池原材料的爭奪大戰(zhàn)

電動汽車將大量涌現(xiàn)。所有汽車和電池生產(chǎn)商都在爭奪這些原材料。甚至像剛果這樣極端貧窮和不穩(wěn)定的國家也參與其中

電動汽車生產(chǎn)商和用戶們都對電動汽車的未來發(fā)展寄予厚望，因此對電池的需求也在迅速增加，而某些金屬原料也因其稀缺性變得越來越供不應(yīng)求。因此，保證大量庫存就變得非常重要。其中，最稀缺的材料是鈷。2016年，政局不穩(wěn)定的剛果生產(chǎn)了84 000噸鈷，占世界總產(chǎn)量的60%。由于儲量有限、價(jià)格攀升，鈷也成為新能源汽車發(fā)展的關(guān)鍵。很多汽車廠商以及電池企業(yè)都在研發(fā)降低鈷比例的電池材料配方，有的甚至已經(jīng)開始研發(fā)無鈷電池，但是目前看來，無鈷化解決方案還難以實(shí)現(xiàn)。奧迪與全球知名的鋰離子電池正極材料制造商優(yōu)美科（Umicore）合作，在新款奧迪e-tron電動汽車的高壓電池中采用閉環(huán)回收法，將有價(jià)值的材料（如鈷、鎳、銅）回收利用。

專訪馬丁·溫特教授

“鋰離子蓄電池仍然是我們的領(lǐng)先技術(shù)”

您如何評估未來十年驅(qū)動電池在能量密度方面的進(jìn)步？

到2025年，我們預(yù)計(jì)相同尺寸蓄電池的能量密度將從50%增加至70%。續(xù)航里程將從350公里增加到500公里。

這些車輛將配備哪種電池技術(shù)，您認(rèn)為未來幾年最有希望的是什么？

增加續(xù)航里程將通過未來進(jìn)一步發(fā)展的鋰離子技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。2025年之后，我們將在高壓鋰離子系統(tǒng)和鋰金屬電池等方面找到更好的解決方案。但是，目前這些方案仍處于研發(fā)階段。

關(guān)鍵詞：固態(tài)電池——是否適合量產(chǎn)，如果適合，將以何種形式生產(chǎn)，投入生產(chǎn)的時(shí)間大概是什么時(shí)候？

在未來的五年內(nèi)，我們將學(xué)到更多東西，以便我們能夠更好地回答您的問題。目前，最具有發(fā)展前景的當(dāng)屬以金屬鋰為負(fù)極的鋰金屬電池，因?yàn)檫@種電池具有極高的能量密度。至于是否能在2023年至2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，目前尚無可靠數(shù)據(jù)予以支持。

鋰和鈷被認(rèn)為是最重要的電池生產(chǎn)原料，目前，是否有替代原料？

鈷是至關(guān)重要的。我們正在努力大幅減少其使用含量。作為替代材料，我們正在研究富含錳的材料。但是，鈷原料還是不可缺少的。雖然鋰并非稀有材料，但是要使鋰電池滿足電動汽車的大功率要求，在技術(shù)上也是一項(xiàng)不小的挑戰(zhàn)。而鈉離子電池或鎂電池則是價(jià)格比較昂貴的替代材料。