2019年07月22日 | 新的电池技术会让电动车不再乱爆炸吗？

在此前的《析技》系列文章中，我们聊过很多关于新能源未来技术发展的方向，今天我们继续接着聊这个话题。

很多人一直以为纯电动汽车是最近几年才开始流行起来的，如果不是因为各国政府补贴和激励措施，很多汽车制造商不会花这么多精力在纯电动汽车领域。但其实，纯电动汽车出现的时间要比我们想象的更早。

资料显示，在1900年的时候，美国道路上就有38%的车辆是纯电动的，40%是蒸汽驱动的，只有22%是燃油驱动的。而纯电动汽车之所以在此后的100年中逐渐没落，被燃油车所超越，原因在于电池技术的发展比较迟缓，这也制约了纯电动车汽车的发展。

100多年的发展极大地提升了电池技术，最早的电动汽车上那些有害健康的电池，如今已发展成为最先进的锂离子电池和镍氢电池。然而，即使如今的纯电动汽车的续航里程突破了600km，但电动汽车依然存在很多问题。这也使得即使在今天，纯电动车似乎还不能作为燃油车的替代品。

不过，只要新能源汽车发展趋势不变，在人们对于绿色、环保、安全的出行环境越来越高的迫切需求下，很多企业和科研机构在研发全新的电池解决方案。这些正在研发中的最前沿的电池技术，或许会在将来成为纯电动车发展的全新方向。

如今纯电动车电池遇到的问题

一个明显的事实，如今电池主要问题在于成本、能量密度、充电效率，以及我们可能没有足够的原材料在支撑纯电动汽车的发展。这也使得，全世界都在热切地等待着下一个重大的科学突破，它将在一夜之间给我们带来一种重量轻、生产成本低、易于回收（或处理），同时提供高能量密度和寿命的电池。

以如今纯电动车所采用的电池为例，我们来看看其能量密度与汽油的能量密度到底差多少。

能量密度的含义是在给定的系统、物质或单位体积的空间区域中存储的能量。如今汽油的能量密度约为47.5 MJ/kg和34.6 MJ/L，一辆充满燃料的汽车里的汽油所含的能量相当于一千根炸药。而锂离子电池组的容量约为0.3 MJ/kg，因此，汽油的能量密度大约是锂离子电池的100倍。

这种能量密度上的差异，部分被高效的电动机所缓解，电动机将储存在电池里的能量转化为汽车的动力：它的效率通常为60% - 80%。内燃机将储存在汽油中的能量转化为汽车动力的效率通常为15% (EPA 2012)。然而，即使如此，电池仍然不能储存足够的能量来替代汽油。

为了缓解这个问题，科学家们研究了许多不同的电池解决方案，而其中有四种电池技术最有可能成为纯电动车未来的发展方向。

固态锂离子电池

如今的锂离子电池采用的是液态电解质，而固态锂离子电池则是用固态物质作为电解质。与液态电解质相比，固态电解质的优点是电池体积更小、阻燃性更高、理论能量密度限值更高、充电速度更快。

从固态锂离子电池的优点来看，正好可以解决前文提到的如今电池技术所遇到的发展瓶颈。比如由于去除了液体和危险的电解质溶液，固态锂离子电池可以有更紧密的封装，使电池的安全性能高；同时固态锂离子电池还能提供更大的能量密度，有人认为固态锂离子电池的能量密度可能是液态锂离子电池的两倍。

然而，固态锂离子电池虽然具有很多优点，但是它们的制造成本不便宜，至少现在是不便宜的。不过，最难的过程是从无到有，只要有了固态锂离子电池，那么制造成本问题迟早能够解决。

在所有正在研发固态锂离子电池的车企中，大众和福特或许是研究进度最快的车企，但距离固态锂离子电池真正与我们见面，或许还要等5-6年时间。

液流电池

来自哈佛大学工程与应用科学学院的John A. Paulson和斯坦福大学的研究人员，如今在开发一种新型的液流电池。这种电池的内部采用一种少孔、无毒、不易燃的电解质来替代如今的锂离子电解质，而能量可以存储在水分子中。

这种电池不需要任何昂贵的材料，可以用很低的成本制造出来。很显然，研究人员通过改变电解质溶液的分子结构，找到了一种保持电解质溶液中正电荷和负电荷分离的方法。如果这种方法有效，这种电池的价格可以低至650元/千瓦时，接近如今电池价格的一半。

而通过混合钠和钾，研究人员成功地在室温下形成了一种新的液态金属。他们计算出，“这种液态金属每克的可用能量至少是如今电池的10倍。”

如今这种电池所面临的困局在于暂时还没有找到一种材料，能够稳定地将电池的正负极隔离开来，但是又能够允许电子转移。如果解决了这个问题，那么这种液流电池不仅生产成本更低，更安全，而且能量密度也要更高（约为如今电池能量密度的10倍）。

锂氧电池

第三种电池解决方案是锂氧电池。与其它正在研发的电池解决方案相比，锂氧电池是通过电解液中的氧气和锂离子之间的化学反应来产生能量。这个过程会产生过氧化锂和大量的能量。

但这个化学转化过程最多只能提供80%的能源潜力，其余的几乎都被浪费了。此外，这种反应将会持续消耗电池的电解质，同时阴极也会被反应生成物所覆盖，这意味着锂氧电池在每次充电时都会进一步损坏。

不过加拿大的研究人员通过用有机电解质代替无机熔盐，以及用碳基阴极代替金属阴极找到了解决方案。这也使得全新的锂氧电池能够比如今的电池多储存50%的能量，而且电池内部的化学反应不会产生任何浪费。

但是，这种电池如今遇到的最大难题是只能在150℃以下工作，所以反应温度是如今锂氧电池必须要解决的问题。

钠离子电池

我认为钠离子电池是未来最有前途的电池技术之一。首先，钠元素在地球上的含量非常丰富，海水中就拥有用不完的钠元素；其次，相比锂元素，钠元素的提取和制备要方便、便宜得多。

用钠代替锂可能是最好的方法，因为钠不仅更容易用于制造电池，而且由于其晶体的独特特性，可以提供更快的充电效率。

目前，日本的研究人员和科学家正在努力寻找能够支持钠离子电池制造的可行材料。由于在分子水平上的差异，钠离子电池的离子尺寸远远大于锂离子电池。如果日本人找到了解决方案，这可能标志着人们对汽车电池的看法发生了相当大的变化，因为这种被称为Na2V3O7的物质可以解决充电效率低的问题。

“我们的目标是解决大规模电池在应用中面临的最大障碍，比如严重依赖长充电时间的电动汽车。我们通过一项研究来解决这个问题，这项研究将产生足够有效的材料来提高电池的充电效率。”

随着锂离子电池的发展进入瓶颈期，越来越多的车企、科研机构正在试图研发其它电池解决方案，来替代锂离子电池，解决锂离子电池存在的问题。在未来几年中，随着全新的电池技术的出现，纯电动车或许将进一步取代燃油车的地位。