锂离子电池的技术发展及对电动车的助力挑战在于电池材料及工艺

2020-04-28 14:55

据外媒报道，新一代的电动车自10年前起开始出现在路面上。美国佐治亚理工学院的研究人员耗费了一年时间，追踪了近500名美国驾驶员的驾驶习惯，旨在确认电动车是否适合这类人群使用。

研究人员发现，近三分之一的受访者表示，他（她）们可以用续航里程为100英里（约合160公里）的电动车完成其绝大部分出行活动。只有6％的情况所涉及的出行距离较远，可能需要用户将电量充满后再出行，或租用一辆汽油车。

如今，电动车的发展情况更好了。许多电动车续航里程数已远不止200英里（约合320公里），某些大尺寸、高端车型的续航里程数甚至能达到近400公里。毕竟，仍有许多潜在的购车用户担心车辆在半途中电量耗尽。长续航版电池可缓解用户的“电动车里程数焦虑”，但“还有很多坑要填”。

许多电动车所搭载的电池都是锂离子电池，该款产品是索尼公司于1991年实现商业化的电池设计，该类电池的特别之处在于其蓄能容量较高。目前，电动车车载电池的能量密度通常为200wh／kg，当代锂离子电池可将200 watt－hour的电势注入到1千克的电池套件（kit）中。该数据是旧款铅酸电池的5倍，研究人员们正在持续研究改进，旨在提升锂离子电池性能。

锂离子电池的名字取自其内部的锂离子。但这类电池放电时，阳极会产生锂离子。然后，该锂离子将通过电池隔板（只有锂离子能通过）至电解液中，然后再扩散至阴极。阳极的电子将消失，沿着外部电路进入阴极。在该过程中产生的电流将被用于驱动电机。而在阴极位置，离子和电子重新结合。该情况将持续至用户通过充电线缆将车辆与充电设备连通时，整个流程将逆转。

对于车辆这类重量敏感型应用而言，锂金属是化学元素周期表中最轻的一款金属，但该金属的（化学）反应性也较高。电芯的构建需要非常谨慎，避免瑕疵，否则将可能引发电池短路乃至于电池起火事故。阳极通常由富碳材料（carbon－rich material）组成，阴极内的锂金属通常容易被部分氧化，从而生成锂钴氧化物（lithium cobalt oxide）。

而钴金属是最为昂贵的一款电池材料，电池制造商们都试图减少该材料的使用量。许多钴矿都位于刚果民主共和国，而采矿条件非常恶劣，甚至有使用童工的情况出现。业内的主流思路是减少电钴金属在锂电池内的使用量，同时调升镍和锰的用量，以便生产NMC电池（三元锂电池）。

去年，中国最大的电池制造商——宁德时代开始量产NMC电池，其能量密度达到240wh／kg。而特斯拉等其他公司则希望进一步削减甚至摆脱对钴金属的依赖，但特斯拉却对其电池计划的明细内容守口如瓶。

为降低电池材料的成本，随着宁德时代、特斯拉及其他对手的产能提升，这类电池的价格将稳步下滑。据彭博新能源财经透露，2012年锂电池的平均售价为1160美元／千瓦时（约合8204．68元／千瓦时）。到2024年，其售价将低于100美元／千瓦时（约合707．3元／千瓦时）（见图表）。届时，与内燃机车相比较，电动车的竞争优势将更大。