電動汽車電池的續航能力為啥不好?
發布時間:2019-12-03 15:59:09

近年來清潔能源汽車發展迅速,以特斯拉為首的電動汽車企業推出了多款科技感十足的電動汽車。通過不斷的技術革新,電動汽車性能得到了極大的提升,電動汽車也從概念產品逐漸進入人們的生活。


電動汽車符合科技進步和時代發展的潮流,被越來越多的人們喜愛和接受。然而目前電動汽車與燃油汽車相比,還存在著續航里程短,充電速度慢,成本高等問題。解決問題的關鍵在于電動汽車的“油箱”——動力電池,可以說動力電池決定了電動汽車的生命力和競爭力。目前,作為能源儲存體系之一的鋰離子電池主導了動力電池的發展,這是因為其具有高電壓、高能量密度、長壽命和安全性較好的優點。


什么是鋰離子電池呢?


鋰離子電池是一種可反復充放電的二次電池。他的主要組成部分有:正極、負極、隔膜和電解液。如下圖所示,充電時鋰離子從正極脫出,經過電解質進入到負極,同時釋放的電子從外部電路轉移至負極,維持電荷平衡;放電時鋰離子從負極脫出,經過電解質進入正極,而電子從負極經外部電路到達正極。在每一次充放電循環過程中,鋰離子(Li+)充當了電能的搬運載體,周而復始的從正極→負極→正極來回的移動,與正、負極材料發生反應,將化學能和電能相互轉換,實現了電荷的轉移,這就是鋰離子電池的基本原理。

鋰離子電池工作原理圖 (圖片來源:John B. Goodenough,2013)


容易“激動”的正負電極


鋰離子電池能將電能和化學能相互轉換進而實現能量的存儲和釋放,條件之一是正負極的材料要活潑,要容易氧化和還原,要很“容易”參與化學反應從而實現能量轉換。其二是需要存在有電位差的正負極材料來實現電荷移動。經過長期的研究和探索,人們找到了幾種鋰的金屬氧化物,如鈷酸鋰、鈦酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元等材料,作為電池正極活性物質。


負極通常選擇石墨或其他碳材料做活性物質,也是遵循上述的原則,既要求是好的能量載體,又要相對穩定,還要有相對豐富的儲量,便于大規模制造,碳元素就是一個相對優化的選擇。


“放電”也需分場合


如上所述,鋰離子通過電解質流動,而反應產生的電子通過外部電路做功。因此,電池系統必須保證鋰離子和電子的流動,也就是說,它必須是一個好的離子導體和一個電子導體。許多電化學活性材料都不是良好的電子導體,因此需要添加一些導電材料,如炭黑。為了將電極材料和導電劑固定在一起,還需要添加一些粘合劑。在這種情況下,電化學反應只能發生在活性物質、導電劑和電解質相遇的地方。


雖然鋰離子流經電解質,但正極和負極必須在物理上分開。為了防止短路造成能量的劇烈釋放,就需要用一種材料將正負極“隔離”開來。這要求材料具有良好的離子通過性,能給鋰離子開放通道,讓其可以自由通過,同時又是電子的絕緣體,以實現正負極之間的絕緣。目前的鋰離子電池使用的是聚乙烯(polyethylene,PE)、聚丙烯(polypropylene,PP)制備成的多孔隔膜。


電動汽車提升續航能力的瓶頸在哪?


對于手機、筆記本等電子設備來說,能量存儲是關鍵。儲存的電量越多越好,操作時間越久越好。而對于一些更大方面的應用,如電動汽車中的電池,除了對電池的能量密度有要求之外,功率同樣重要。材料必須能夠快速提供電量以驅動汽車,并在電量耗盡時能夠進行快速地充電。


目前電動車存在的問題是續航受限!燃油小汽車加滿一箱油的續航里程在500公里左右,電動汽車汽車的續航里程取決于它的“油箱”——電池。看到這里可能就會有人問了,為什么不給汽車裝一個超大的電池呢?


這種想法有沒有道理呢?答案是有一定道理,但不全對。并不是電池越大,續航里程就越高!


增加電動汽車的續航里程分兩種方法:一種是通過增加電池組的數量來提升整體容量,這就是前面提到的“大電池”。這種方法的缺點是汽車整體的重量也會增加,增加的電池減少了汽車內部空間,增加了汽車成本,同時也增大了電量消耗。因此需要折中考慮電池的重量和續航里程的關系,尋找最優解。以我們身邊的燃油小汽車為例,加滿一箱油大約可以行使500-600 km,如果增大油箱,儲存的油量提升了,但是油耗也會相應增加,考慮到加油站的分布距離,設計為一箱油行使500-600km 是比較合適的。增加電動汽車續航能力的另一種方法是提升電池的能量密度,開發更輕的,容量更高的電池。另一方面,我們可以通過提升電池的充電速度,讓汽車更快更方便的充滿電,來提升電動汽車的續航里程。


怎么讓“充電五分鐘,續航五百里”的電動汽車成為可能?


國務院頒發的《中國制造2025》提出2020 年動力電池能量密度要達到 300 Wh/Kg,2025 年達到 400 Wh/Kg,2030 年能量密度達到 500 Wh/kg。目前量產動力電池單體能量密度在 230±20 Wh/Kg,根據《中國制造2025》的要求,結合現在的技術路線,我國的科技工作者提出了使用高鎳正極+準固態電解質+硅碳負極實現 300 Wh/Kg的目標;2025 年使用富鋰正極+全固態電解質+硅碳/鋰金屬負極電池實現 400 Wh/Kg的目標,2030年使用鋰空氣電池、鋰硫電池達到500 Wh/Kg的目標。

鋰離子電池技術目標(圖片來源:作者自制)


有了這些數據,我們還要考慮到電池裝配質量以及整車重量,才能對電動汽車的續航里程有大致的推斷。以特斯拉Model S為例,電池組重量約為1噸,電池容量為約為100KWh,整車質量約為2.5噸,可達到600 km的續航里程。根據最近的報道,特斯拉研制的第三代超級充電系統,充電速率超過1000英里/每小時(約合1609公里/小時),5分鐘內補充最高75英里電量(約合120公里),充電15分鐘就可以行使近270公里。


“充電五分鐘,續航五百里”,在目前來說尚不能達到。如果這一設想實現,無疑將撼動燃油汽車的統治地位。那么,“充電五分鐘,續航五百里”真的是可望而不可即嗎?


想實現這一目標,對電池的充放電速度有了一個很高的要求。正負極儲鋰材料的脫鋰嵌鋰速度和在快速充放電過程中的結構穩定性是主要原因。高速充電往往會使電池發熱、結構遭到破壞,并降低電池的壽命。這又對電池的穩定性、安全性提出了要求。雖然近年來氫燃料電池概念汽車多有報道,但是氫燃料電池汽車需要解決制氫、儲氫、燃料電池發動機、車體結構、安全性等等一系列的復雜問題,難以進行商業化使用。總的來說未來的很長一段時間,電動汽車電池仍將會以鋰離子電池為主。想要把“充電五分鐘,續航五百里”變為現實需要滿足以下幾個條件:(1)材料的能量密度高,即儲存的電能多。(3)在鋰離子插入和脫出時,材料與鋰的反應要非常迅速。 (3)該材料是良好的電子導體。這將會減少電池的內部損耗,進一步提升電池的性能。 (4)材料穩定。充放電過程中材料不改變結構或以其他方式分解,材料體積不會發生膨脹和形變。(5)材料成本低。這決定了電池和電動汽車的價格。(6)材料環保。對環境無污染或污染極小、可控。


如果想要實現“充電五分鐘,續航五百里”的目標,還需要對電池的工藝技術和儲能機理進行更加深入的研究和挖掘。相信在不久的將來,“充電五分鐘,續航五百里”的電動汽車將成為可能!



稿件來源: 中國科普博覽
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