更安全的電動車電池可打破傳統(tǒng)設(shè)計

“對于電動車里程焦慮的問題已經(jīng)廣泛被業(yè)內(nèi)討論，目前得出的結(jié)論是，提升電動車里程是一件耗費成本的事”美國能源部先進研究計劃署(ARPA-e)項目經(jīng)理Ping Liu說：“如今的電動車電池過于昂貴，并且容量太小，重量太大。”

Ping Liu以及他的同事曾這樣問自己“有什么方法可以既提升電池性能又減少駕駛成本呢?”，他們想到了一個或許可行的方法——利用合適的電化學過程提升電池性能。

他們決定采用一種更安全的電池化學過程——無需大體積、大重量的電池組結(jié)構(gòu)保護電池單元。從而在實現(xiàn)“增程”的同時無需增加電動車重量，即使這類電池的能量密度不如鋰電池，其總成本收益還是更大。Liu表示：“如果電池組的保護工作不再是我們所擔心的問題，那么電池組的安裝方式和結(jié)構(gòu)也將不再受傳統(tǒng)汽車結(jié)構(gòu)限制。”

更安全的電池

如同美國APRA-e正在進行的22項其它長期研發(fā)項目一樣，該項目也是該機構(gòu)RANGE(Robust, Affordable, Next-Generation Energy storage systems))計劃中的一部分。

美國能源部希望輕型電動車的電池能夠達到單次充電行駛386公里的標準。

達到這一標準的方法有許多。一些機構(gòu)研利用不易燃聚合物電解質(zhì)取代揮發(fā)性易燃聚合物電解質(zhì)與水性電解質(zhì)。還有一種方法就是完全放棄液態(tài)鋰離子電池的使用，轉(zhuǎn)而使用固體電解質(zhì)薄膜陶瓷材料。

Liu解釋道：“我們決定尋找具有高穩(wěn)定性的化學反應方式以及能夠承受大量充放電循環(huán)的材料，即便那些材料的性能未必有鋰電池那么強。”因為將這些材料應用于汽車結(jié)構(gòu)中意味著電動車能夠大幅減重，從而提供與高能量密度電池相同甚至更高的收益。

水性電解質(zhì)

RANGE計劃中研究的電動車電池的三種化學催化劑之一就是水性電解液。這類電解液并不采用電極“浸泡”在電解液里的方式，而是采用外部存儲，時刻準備著發(fā)生化學反應產(chǎn)生電能。

“概念上來說，這些可替代電化學物質(zhì)與傳統(tǒng)理論相悖，一般認為流體電池的能量密度不足以支持電動車的行駛里程要求，并且其體積會非常大。”Liu表示：“我們從通用電氣公司(GE)和勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)收到了奇妙的提議，在流體電池中采用不同的化學催化劑，實現(xiàn)更高的能量密度。”

通用電氣與伯克利國家實驗室將在明年制造一款原型電池以驗證這項提議。這項基于水性電解質(zhì)的方案中采用無機材料，傳遞過程中可攜帶不止一個電子，能量密度有所提升。能量被經(jīng)過部分氧化的高能有機化學液提取，從而形成穩(wěn)定、不含氫的化合物。特殊的電化學催化劑將直接從電池正極提取載荷電子，在此過程中不產(chǎn)生氫氣。離子與負極氧氣分子結(jié)合產(chǎn)生電能，附帶產(chǎn)物是水。

Liu還指出了另一種“多電子”水溶液，目前該項目由美國馬里蘭大學和陸軍實驗室負責研發(fā)。根據(jù)該大學描述，這款采用納米材料的電池將采用雙離子混合交互的模式將電池電壓從1.2伏提升到2.5至3伏，此外電池容量也擴大了1倍。

無水性電解質(zhì)

RANGE計劃的另一些研究項目是關(guān)于無水性電解質(zhì)(含有揮發(fā)性化合物)的研究。項目經(jīng)理表示，雖然此類電池系統(tǒng)的維護成本偏高，但依舊可以從其他方面的收益進行抵消。

伊利諾理工大學(Illinois Institute of Technology)與阿貢國家實驗室就此進行合作。他們研發(fā)出一種納米電解質(zhì)，其中含有大量納米顆粒，可以實現(xiàn)高能量密度的同時保證穩(wěn)定性和低阻流。

固態(tài)電池

RANGE計劃的第三類研究重點就是固態(tài)電池。固態(tài)電解質(zhì)中載荷子(質(zhì)子和電子)不像液態(tài)電解質(zhì)中通過性那么好。目前相關(guān)的技術(shù)仍未得到突破。

馬里蘭大學固態(tài)氧化物燃料電池技術(shù)教授Eric Wachsman將其開發(fā)的多層薄膜陶瓷加工技術(shù)(multilayer thin-film ceramic processing)用于制造一個具有高導電率的全新鋰離子固態(tài)電解質(zhì)。固體鋰離子電解液和高壓負極集成于一個特制的納米架構(gòu)中。Wachsman教授的最終目的是希望通過這項方法制造出重量輕、壽命長的固態(tài)電池。