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(huì)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(huì)有電流釋放出。但是現(xiàn)在電動(dòng)汽車中所采用的先進(jìn)的鋰聚合物蓄電池并非以這種簡(jiǎn)單的方式工作。可充電電池以化學(xué)方式存儲(chǔ)電能，再將其作為電能加以釋放。每次電能轉(zhuǎn)換時(shí)，都會(huì)有一部分傳輸?shù)哪芰苛粼陔娐分?，這個(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?；顫姡逛嚱饘俚募庸?、保存、使用，對(duì)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(duì)電源也提出了很高的要求，因此大部分針對(duì)電池的研究都集中到鋰離子電池上（參見第139頁）。

對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的正極上會(huì)有鋰離子生成，生成的鋰離子通過電解液運(yùn)動(dòng)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(huì)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(duì)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(dòng)回正極?；氐秸龢O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(dòng)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(dòng)汽車的使用中，長(zhǎng)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(chǔ)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(chǔ)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(dòng)汽車，則其續(xù)航里程也許會(huì)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(huì)增加電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，但我們不要期待會(huì)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(dòng)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(duì)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(duì)于汽車來說并不嚴(yán)重，但對(duì)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(huì)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(duì)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(duì)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(duì)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(chǔ)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(cè)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(cè)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?，F(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(dòng)力電池

奧迪 e-tron的內(nèi)部電池結(jié)構(gòu)

e-tron搭載兩臺(tái)電動(dòng)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(dòng)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(duì)大型電池制造商、客戶和電池制造商新聯(lián)盟的簡(jiǎn)要介紹：

無論是中國(guó)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(gòu)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(guó)圖林根州設(shè)立超級(jí)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(duì)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(guó)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(zhēng)奪大戰(zhàn)

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

電動(dòng)汽車生產(chǎn)商和用戶們都對(duì)電動(dòng)汽車的未來發(fā)展寄予厚望，因此對(duì)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(chǔ)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?yuàn)W迪e-tron電動(dòng)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(píng)估未來十年驅(qū)動(dòng)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(dòng)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。