電動(dòng)汽車電池發(fā)展之路：提高密度or減重?

　　特斯拉Model S是電動(dòng)汽車界的新寵兒，不過最近它經(jīng)歷了連續(xù)三起起火事件(包括60千瓦時(shí)和85千瓦時(shí)兩種電池版本的車型)，目前起火詳細(xì)原因還在調(diào)查中。

　　得益于全新的技術(shù)與輕量化材料的應(yīng)用，Model S中的電池組讓其從0-60英里/時(shí)加速耗時(shí)僅需4.4秒。也由于這些材料活躍性質(zhì)，車中的鋰電池需要擁有完備的保護(hù)措施。該車中的鋰電池組重500磅，它位于車輛的底盤，與輪距同寬，長度略短于軸距。電池組的實(shí)際物理尺寸是：長2.7米，寬1.5米，厚度為0.1米-0.18米。其中0.18米較厚的部分是由于2個(gè)電池模塊疊加造成的。這個(gè)物理尺寸指的是電池組整體的大小，包括上下、左右、前后的包裹面板。這個(gè)電池組的結(jié)構(gòu)是一個(gè)通用設(shè)計(jì)，除了18650型號(hào)電池外，其他符合條件的電池也可以安裝。此外，電池組采用密封設(shè)計(jì)，與空氣隔絕，大部分用料為鋁或鋁合金?？梢哉f，電池不僅是一個(gè)能源中心，同時(shí)也是Model S底盤的一部分，其堅(jiān)固的外殼能對(duì)車輛起到很好的支撐作用。

　　但即便如此其仍然發(fā)生了起火，這也是為何研究者需要加快對(duì)新一代電動(dòng)車電池技術(shù)研發(fā)進(jìn)程的原因。

　　今年夏季，美國能源部的高級(jí)研究項(xiàng)目署APRA-E投資3600萬美元，幫助研究者開發(fā)下一代電池設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。其中包括22個(gè)技術(shù)項(xiàng)目，目標(biāo)無一例外都是讓電動(dòng)車變得更高效、成本更低。

　　鎳氫電池：從混動(dòng)車到純電動(dòng)車

　　巴斯夫的一位化學(xué)工程師Michael Fetcenko是眾多電池研究者中的一個(gè)，在APRA-E的資助下，試圖將原本用于混動(dòng)汽車中的鎳鋅電池電池技術(shù)擴(kuò)展應(yīng)用到純電動(dòng)車中。

　　一般來說，鎳氫電池的能量密度在1千瓦時(shí)/千克。而若要將其應(yīng)用于純電動(dòng)車中，巴斯夫必須將鎳氫電池的能量密度提升到30-50千瓦時(shí)/千克。此項(xiàng)應(yīng)用成功與否的關(guān)鍵在于能否將鎳氫電池的能量密度增大到要求值，并降低成本。

　　實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種可能途徑是替換掉電池中所需的稀土元素。稀土元素是一個(gè)統(tǒng)稱，該組元素共有17種，稱為稀土元素的原因并不是因?yàn)槠鋬?chǔ)量少，而是由于其主要存在于礦山中，開發(fā)過程中將耗費(fèi)大量成本。傳統(tǒng)的鎳氫電池中，超過50%的能量由稀土元素反應(yīng)生成。不過這類元素的儲(chǔ)存性能較差。

　　為了解決這一問題，巴斯夫嘗試采用低成本金屬氫化物合金。Fetcenko教授認(rèn)為，這種材料能夠提升鎳氫電池的化學(xué)性能，并讓其成本降低。不過對(duì)于純電動(dòng)汽車來說，光改進(jìn)鎳氫電池的化學(xué)性能不足以使其代替鋰電池，因?yàn)殇囯姵剡€擁有一個(gè)至關(guān)重要的特性————重量輕，或者說密度小。

　　鋅-空氣電池：從助聽器到汽車

　　美國加利福尼亞州一家名為EnZinc的公司認(rèn)為，鋅-空氣電池將會(huì)引領(lǐng)下一代電動(dòng)車電池技術(shù)。該公司相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Michael Burz表示，下一代電動(dòng)車電池應(yīng)該具備三個(gè)要素：高性能、安全、低成本。他和他的團(tuán)隊(duì)正在試圖改變電池的設(shè)計(jì)模式/架構(gòu)，從而做到這三點(diǎn)。

　　他指出，電池的架構(gòu)已經(jīng)有超過100年沒有發(fā)生變化，人們依舊沒能跳出思維定勢(shì)。所謂電池架構(gòu)包括三個(gè)元素：正極、負(fù)極、電解液。正極釋放電子，負(fù)極接收電子。正極與負(fù)極之間由電解液隔開，電解液作為離子自由流動(dòng)的媒介體。

　　在鋰離子電池中，鋰離子從氧化鋰正極出發(fā)向碳基化合物負(fù)極運(yùn)動(dòng)，并采用有機(jī)電解液。鋅-空氣電池則不同，其正極利用碳吸收空氣中的氧，負(fù)極則是鋅合金。鋅同時(shí)還是一種良性物質(zhì)，其在電池中的副產(chǎn)品就是氧化鋅，而氧化鋅則是防曬霜的主要成分。

　　通過上述方法，鋅空氣電池就可實(shí)現(xiàn)高效、低成本和安全三個(gè)特性。

　　既然如此，那為何不現(xiàn)在就將該技術(shù)普及呢?那就是鋅空氣電池?zé)o法充電。這也是目前其僅在助聽器等小型器件中使用的原因。為了讓鋅空氣電池能夠充電，EnZinc公司開發(fā)出一種新方案，將普通氧氣和鋅金屬放在堿性電解液中，借助鋅的氧化反應(yīng)產(chǎn)生電流，而在重新充電后，氧氣和鋅又可以再生，如此往復(fù)循環(huán)，從而提升了電池的能量密度。

　　新途徑：電池減重

　　電動(dòng)車電池發(fā)展的方向有多種，有些研究者致力于提升其能量密度和性能，另一些則專注于減輕電池的重量。例如，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的Gabriel Veith教授和他的團(tuán)隊(duì)正在研究如何降低電池保護(hù)系統(tǒng)的重量。

　　Gabriel Veith是一位材料科學(xué)家，其希望開發(fā)出一種具有和電池安全系統(tǒng)功能相同的輕質(zhì)電解質(zhì)材料。

　　Veith解釋道：”當(dāng)電動(dòng)車發(fā)生碰撞事故時(shí)，該材料會(huì)發(fā)生相變，使其難以被穿透?！边@項(xiàng)特質(zhì)或許能夠解決近期特斯拉電池起火的問題。而其團(tuán)隊(duì)目前面臨的問題是：增加材料的響應(yīng)性能。Veith說：”如果其在電動(dòng)車發(fā)生碰撞的5分鐘后才發(fā)生相變，那么這將沒有任何意義。”