超级电池，彻底改变电动汽车性能
文章转载自“未名科创”
只要制造商能找到足够的原材料来制造它们。
编译｜巩周周
来源｜经济学人
为了实现这些目标，汽车制造商一直在寻找方法，试图用更先进的“固态”电池取代为大多数现代电动汽车（evs）提供动力的传统锂离子（Li-ion）电池。经过多年的技术攻关，努力终于取得了成果，首批固态锂离子电池将在未来几年内投入生产。
2012年，全球最大的汽车制造商丰田公司开始研究固态电池。多年来，该公司几乎没有取得任何成果。但是，最近他突然宣布已取得技术突破，计划最早于2027年开始生产固态电池。丰田公司声称，其新型电池可为 ev 提供约 1200 公里（746 英里）的续航里程，约为许多现有车型的两倍，并可在约十分钟内完成充电。
01
电光火石
丰田并非孤军奋战。
开发固态锂离子电池的其他生产商也在吹嘘类似的性能数据。例如，日产汽车公司正在横滨建造一座试验工厂，将于明年开始生产测试版本；宝马公司与科罗拉多州的电池开发商Solid Power合作，计划在德国建立一家电池工厂；硅谷初创公司QuantumScape已开始向其主要支持者大众汽车公司运送固态电池原型。
开发固态电池需要如此长的时间，这并不令人惊讶。让一种新型电池在实验室中发挥作用是一回事，但要将其推广到工厂生产数百万块电池间则是一件困难的事情。
虽然锂离子电池在 20 世纪70 年代末就已被发明，但直到20世纪90年代初，锂离子电池本身才完全商业化。起初它被用于便携式电子设备，如笔记本电脑和手机，后来又演变为新一代电动汽车提供动力的大型电池。
早在汽车诞生之初，电动汽车就已经出现。事实上，Clara Ford更喜欢她 1914 年生产的底特律电动汽车，而不是她丈夫Henry生产的汽油动力汽车。但这些早期的电动汽车以及随后几年出现的其他电动汽车主要由数十个沉重的铅酸电池提供动力，不仅造价昂贵，续航能力也很有限。锂离子电池重量轻，能够储存大量电量，因此续航里程增加，成本却更低（见图 1），能够使得交通工具电气化得以真正开始。
这也意味着，固态锂离子电池可能会一场变革。
汽车制造商最初采用固态电池是为了提高安全性。传统的锂离子电池由于含有液态电解质，极易燃烧，所以即使功能强大，却也存在风险。当锂离子电池损坏（可能在事故中发生）或充电时过热时，就会爆炸起火，而不易燃的固体电解质则可以避免这种情况。但是，即便能够大规模生产丰田公司，最初也很难让固态电池长时间高效工作。
其实，固态电解质本身并不一定能提高电池的性能。但它的确可以重新设计锂离子电池，使其体积更小、重量更轻，从而在更小的空间内储存更多的能量。它还能让工程师们拓宽生产锂离子电池的材料范围，并对电池的工作原理进行调整。
尽管电解质具有炽热的性质，但以液体形式使用是有道理的。离子是带电粒子，当电池充电时，离子在电池的一个电极（阴极）上产生，导致电子从锂原子上剥离（见图 2），电解质提供了一种介质，离子通过这种介质迁移到第二个电极，即阳极。在移动过程中，离子穿过多孔隔板，隔板将电极隔开以防止短路。同时，阴极产生的电子沿着外部充电电路的导线向阳极移动，离子和电子在阳极重新结合，并储存在阳极。当电池放电时，过程会发生逆转，电路中的电子会为设备供电--对 ev 而言，设备就是它的电动马达。
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媒介即信息
要使所有这一切有效运作，离子需要在电解质和电极之间轻松移动。
电极上涂有各种材料，呈微粒层状。由于传统锂离子电池中的液态电解质可以流入这些微粒层并浸入其中，因此离子可以通过的表面积很大。而固态电解液无法流入所有的角落，因此需要用力压紧电极，使其接触良好。
然而，在电池制造过程中这样做会损坏电极。总部位于布鲁塞尔的优美科是一家提供电池材料的公司，其老板Mathias Miedreich表示，解决导电性问题是制造固态电池的主要技术挑战之一。
Miedreich 先生说，尽管最初遇到了一些问题，但在过去一年里，日本汽车制造商在研究如何大规模生产固态锂离子电池方面取得了巨大进步。他认为，日本汽车制造商在推出电动汽车方面有些落后，他们计划利用这些新型电池赶超竞争对手。
目前，市场上已经出现了一些固态电池。例如，Bolloré集团旗下的一家法国公司 Blue Solutions 就生产出以聚合物为电解质的电池。由于这种电池需要较高的工作温度，最适用于电池一旦升温就能持续使用的车辆。因此，这种电池被用于为电动公共汽车提供动力。
其他电池则属于过渡阶段，因为它们仍然含有少量液态电解质用以帮助导电。目前，我国许多在市场上占据主导地位电池制造商都在开发半固态电池。Contemporary Amperex Technology (catl) 是一家中国公司，生产的电池占全球 ev 电池总容量的三分之一以上。该公司声称，这种电池不仅安全性能高，而且存储容量大。
电池容量可以用能量来衡量，即按重量计算可储存的能量。据 catl 公司称，其浓缩电池每公斤可储存高达 500 瓦时（wh/kg）的能量。目前市场上性能最高的液态电解质锂离子电池最高也就 300 瓦时/千克左右，完全固态电池则可能达 600wh/kg或更高。除了提高电动汽车在公路上的性能外，这种功率大、重量轻的电池将大大延长即将获得适航认证的小型垂直起降空中出租车的续航时间。
然而，容量只是电池的一个特性，电池的供电速度、使用寿命和成本同样重要。解决这些问题时就需要权衡利弊。例如，如果需要更多的锂来增加可存储的能量就可能会增加成本，定期快速充电可能会缩短电池的使用寿命。
平衡的诀窍取决于所选择的电池材料。
03
材料问题
阴极是锂离子电池中最昂贵的部件。
从理论上讲，固态电池使用何种类型的阴极材料并不重要。最常见的两种阴极是所谓的nmcs，它含有锂涂层以及不同比例的镍、锰和钴；还有一种是lfps，由磷酸铁锂混合制成。通过避免使用昂贵的镍和钴，磷酸铁锂正日益受到欢迎。但由于其存储容量低于 nmcs，因此多用于对性能要求不高的车辆。
随着全球数百家实验室致力于新型电池材料的开发，其他类型的阴极也必将出现。例如，优美科已与日本电解质生产商出光兴产（Idemitsu Kosan）合作，开发一种称为阴极电解质（catholyte）的材料，这种材料将阴极化学物质与固体电解质结合在一起，形成一个单层。如果成功，这将使电池制造变得更加简单。此外，科学家们还在研究用钠代替锂作为电池的离子源。钠资源丰富，价格低廉，但是，作为锂作为最轻的金属，在某些运输应用中仍具有优势。
阳极材料也正在发生变化。目前，大多数阳极由石墨制成，石墨是从少数几个矿山（主要在莫桑比克或中国）中提取的一种纯碳形式，或者是在石化工厂中使用碳密集型工艺合成生产的。由于固体电解质可以降低不良反应的风险，因此可以使用硅和某些金属等材料，特别是金属形式的锂。与石墨相比，这些材料能以更小的空间储存更多的能量，从而使电池变得更小更轻。因此，固态电解质还能兼作隔膜节省更多空间。
有些固态电池是无阳极的（如图 2 所示）。这就是QuantumScape的发展方向。它使用一种专有陶瓷，既是隔膜又是电解质，并将其置于阴极和金属箔之间。电池充电时，锂离子通过固体电解质迁移到金属箔上，有效地在金属箔上镀上锂，形成工作阳极。电池放电时，离子回流，阳极收缩。
以这种方式形成阳极确实意味着电池会膨胀和收缩。该公司的联合创始人Tim Holme说，传统的锂离子电池也会出现这种情况，收缩率约为4%左右，而 QuantumScape 电池的收缩率约为15%。在电池的包装过程中，这种运动会被考虑进去，电池被层层堆叠成模块，构成一个完整的ev电池。
除了续航里程长和充电时间短之外，QuantumScape 还表示其电池的 “循环寿命”也会延长。这种衡量方式是通过将电池容量衰减到90%以下，测量性能水平开始下降前可以充放电多少次为标准。
霍尔姆博士说，QuantumScape电池至少可以循环使用800次。因此，如果每次充电只能提供约500公里的平均续航里程，那么它仍能提供约400,000公里的终生续航里程。他补充说，作为陶瓷，电池的隔膜还能防止枝晶的形成。树枝状突起是指状金属微结构，可在液态电解质中生长并导致短路，半固态电池，包括凝结型电池，仍有可能出现这种情况。
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生产线上
这些新型电池的性能到底有多好，要等到它们装上汽车，并对制造商的说法进行检验后才能真正知晓。
现有电动汽车宣传的续航里程在实际驾驶条件下可能无法实现。分析公司 IDTechEx的Xiaoxi He说，首批半固态电池应于2025～2026 年间出现在汽车上。她预计，首批全固态电池将于2028年问世。
在投资数十亿美元改造现有的“千兆工厂”以生产新型电池或建造新工厂前，各公司会先进行试生产，因此最初的产量会很小。何博士补充说，这意味着这种电池将非常昂贵，早期将应用于豪华车和高性能汽车。因此，廉价的固态电池可能要到2030年代才能广泛应用于家用汽车。
在很大程度上，大规模生产在降低成本方面的成功与否将取决于未来十年原材料价格的变化。德国跑车制造商保时捷咨询公司（Porsche Consulting）的Fabian Duffner说：“固态电池将消耗更多的锂。根据不同的制造方式，预计含有更高容量阴极和阳极的电池所需的锂将增加40%～100%。与此同时，生产商也需要更多的锂，因为他们正在将生产核心从内燃机汽车转移到电动汽车上。”
锂有时被称为“白金”，其价格一直在过山车般波动。锂市场主要由中国主导，去年年底，电池级碳酸锂的价格飙升至每吨60万元（约8万美元）左右，但随后又回落至25万元左右（仍是两年前的两倍）。
达夫纳博士补充说，在市场竞争中，企业需要确保自己的供应线。这其实很困难，因为尽管新锂矿和其他电池材料矿正在开发中，但可能仍需要十年或更长时间才能达到满负荷生产。
因此，达夫纳博士预计，许多大型汽车制造商将通过与电池生产商和材料公司合作，加强垂直整合。在日本，丰田（Toyota）、日产（Nissan）和本田（Honda）已经与松下（Panasonic）和汤浅（Yuasa）这两家电池制造商联合组成了一个财团，共同开发固态电池。
回收材料也会起到一定作用。大多数企业已经开始回收消费电子产品中的电池。这一现象随着老式电动汽车报废，回收量将会越来越大。回收电池的方法其实非常先进，一旦能够从中分离出电池单元，将其研磨，就可以回收和提纯锂、钴、镍和锰等材料。
位于内华达州的电池回收商Redwood Materials公司利用回收的部分材料制造新的阴极和阳极。Northvolt是一家瑞典电池制造商，在欧洲拥有多家千兆工厂，该公司期望到2029年能从回收电池中获得其所需材料的一半。
无论如何，固态锂离子电池即将问世。它能让电动汽车在续航里程、性能和便利性方面与使用老式内燃机的汽车相抗衡。不过，标准锂离子电池约占电动汽车成本的40%，如果固态超级电池要让电动汽车做到在价格上与之竞争，这一比例就必须下降。
来源：未名科创
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