去年7月開始，新能源汽車市場出現連續8個月下滑，疫情更是雪上加霜，今年2月創出近年來最大跌幅。呼籲政府出臺政策救市呼聲又起，但從長遠來看，要提振消費者信心，解決電動汽車大規模接受的最大障礙——續航焦慮仍是關鍵。全球技術市場諮詢公司ABI Research對此還是比較樂觀，認為電池技術的不斷改進將為2028年前1億輛電動汽車上路鋪平道路。
充電後可以跑多遠？心裡有數嗎？
先致敬鋰離子電池之父
1983年，枝野幸男博士開發了鋰離子電池（LIB），這項發明已成為世界上最有價值的技術之一，因為它能夠為從智能手機到電動汽車的電子設備供電。
作為對他在鋰離子電池方面的工作和改進的認可，吉野幸男博士獲得了歐洲專利局（EPO）頒發的非EPO國家類別2019年歐洲發明家獎，以表彰他對電池電動汽車的迅猛發展和IT革命和移動連接的貢獻。他是該獎項的第三位獲獎者，前兩位是2015年發現和開發碳納米管的三島由紀夫博士和2014年由原誠司領導的開發二維碼的團隊。
枝野幸男博士獲2019年歐洲發明家獎
歐洲專利局主席Antonio Campinos表示：“枝野幸男博士創造了今天的鋰離子技術和工業的基礎。他的發明已在連接全世界人民的智能手機中使用，也使電動汽車的出現成為可能。他的技術改變了我們的社會，授予其他公司使用其專利發明的許可有助於加快其商業化進程。
吉野幸男開發了一種體積小、重量輕、有足夠存儲容量的充電電池，這有助於打開便攜式電子設備（從攝像機到筆記本電腦）的大眾市場。如今，他的可充電電池已在全球近50億部手機中使用，並推動了電動汽車的發展。在他發明鋰離子電池之前，當材料中的能量耗盡時，用戶不得不丟棄電池，這對製造商開發便攜式電子產品構成了挑戰。
枝野幸男的發明可以追溯到他20世紀70年代初加入日本化學公司旭化成（Asahi Kasei）後對導電聚合物的早期研究，他的突破是在他意識到當時發現的聚乙炔和鋰鈷氧化物的性能價值時實現的。1977年，日本化學家白川方明證明了第一種物質是導電的，兩年後的1979年，美國物理學家John Goodenough發現後者在空氣中是穩定的。吉野明白，使用聚乙炔陽極和鋰鈷氧化物陰極可以使他的發明比當時開發的其他充電電池更穩定。
他還提出了一種薄聚乙烯基多孔膜，用作材料之間的分隔物，起到安全機制的作用：當電池過熱時，膜熔化。這使電池在著火前停止工作。這種膜作為安全保險絲的化學等效物，至今仍被用來降低鋰電池著火的風險。
硅鋰和固態技術是電池的未來
為了緩解續航焦慮，電動汽車電池需要更安全、更便宜、充電更快，且具有更大的里程能量密度。電池技術的持續進步將緩解焦慮，並使電動汽車獲得實質性的牽引力。
目前，鋰離子電池是電動汽車使用的標準電池，但其使用壽命短，且有過熱的問題。最近關於鋰基化學的研究圍繞使用不同的鋰基電池展開，為的是提供更好的耐火性、更快的充電和更長的壽命。
雖然鋰離子電池在不斷進步，但真正改變電動汽車遊戲規則的將是固態和硅鋰技術。大眾汽車、寶馬集團和戴姆勒等原始設備製造商已對包括QuantumScape、solid Power、Enevate和Sila Nanotechnologies在內的固態技術和硅鋰技術公司進行了大量投資，足見這些技術對電動汽車電池未來的重要性。
硅鋰電池將成為主流電池技術
ABI Research首席分析師James Hodgson表示：“顯著提高能量密度的唯一方法是在鋰離子電池中添加硅。目前以較小的增量百分比（＜10%）添加硅的方法將使能量密度在未來3到5年內增加到300Wh/kg。”
從2023年到2025年，預計電池中的硅會不斷增加，直到實現能夠使硅占主導地位的陽極。對於硅鋰電池的研究以及電動汽車電池中硅含量的增加，ABI Research認為這是下一個合乎邏輯的步驟。到2025年，以硅為主的電池可能使能量密度達到400Wh/kg。使用這項技術的大多數車輛的充電功率可能超過300kW。
最早在2026年之前，硅主導陽極將成為主要解決方案，固態電池架構將開始部署和商業化。固態電池的能量密度至少為500Wh/kg，充電功率超過500kW。
簡而言之，硅鋰和固態是未來的技術，有助於提高性能，保持更多的能量，並以更低的成本持續更長的時間。據預測，未來7年，隨著消費者的續航焦慮慢慢緩解，僅硅的添加就將使電動汽車上路基數從2019年的800萬輛增長到2025年的4000萬輛。
硅增強鋰離子電池技術
總部位於英國的電池材料公司Nexeon透露，一個耗資1000萬英鎊（1300萬美元）的項目SUNRISE正在進行，旨在開發製造性能更高的鋰離子電池的硅材料，目前已經生產出壽命和能量密度更高的電池。這項工作得到了英國創新基金700萬英鎊的支持，該項目的其他合作伙伴是聚合物公司Synthomer和UCL。
電池的硅使用率在不斷提高
該項目將開發更好的硅基電池材料，以替代電池陽極中的碳，其硅增強電池旨在創造下一代鋰離子電池技術，這是實現電動汽車更長里程的關鍵一步。此外，電池的突破將能夠提高消費電子產品和儲能系統的壽命。Nexeon首席執行官Scott Brown博士透露，一個原型反應堆已經建成並投入運行，在提高生產能力方面取得了進展。他說：“我們在這一項目上取得的卓越進展，使我們能夠在最初計劃實現之前加速擴大規模。儘早實現400英里及以上電動汽車續航里程。”
Scott Brown博士說：“電池是系統。從鋰離子可充電電池中獲得最高性能需要對電池的每個組成部分及其相互作用的方式進行研究和深入瞭解。陽極材料必須與導電添加劑、電解質和粘合劑一起進行優化。”他還說：“現實世界中的工作條件與理論參數一樣重要，因為它們可以在具有挑戰性的應用中為用戶帶來好處。我們有幸與業內一些最好的碳、電解質和粘合劑公司合作就是為了優化鋰離子技術。”
電池是系統，不是獨立的東西
他認為，鋰離子充電電池在可預見的未來仍將是首選技術。與其他成熟技術相比，鋰離子電池提供了以下最佳組合：能量密度（重量輕，體積小）、低自放電（不使用時保持充電）、成熟的低成本製造、多種格式，而其他電池技術正在開發中，但還沒有一種技術能夠挑戰鋰離子電池的性能。如今的應用對電池性能的要求越來越高，所以鋰離子電池需要更加努力地工作，未來的鋰離子電池將更加出色。
實現1000公里續航的鋰電池技術
可充電無機電池技術領先者Innolith透露，它正在開發世界上第一款1000Wh/kg的可充電電池。在該公司的德國實驗室中，所開發新的Innolith能源電池將能夠為電動汽車提供超過1000公里（621英里）的動力。其高能量密度也將從根本上降低成本，同樣也將減少進口昂貴材料的成本。
除了其里程和成本優勢外，Innolith能源電池將是第一款用於電動汽車的不易燃鋰基電池。與使用易燃有機電解液的傳統電動汽車電池不同，它使用不易燃的無機電解液。Innolith稱，採用不易燃電池也消除了電池起火的主要原因。
Innolith首席執行官Sergey Buchin說：“目前，電動汽車革命受到可用電池限制的阻礙。消費者希望一輛價格合理的電動汽車在一次充電後有足夠的充電里程，並相信它不會著火。Innolith能源電池是一項突破性技術，有可能滿足所有這些需求。”
他表示，在每個電池中看到的高能量密度是一種創新的化學轉換方法的結果。轉化反應材料克服了傳統插層材料性能差的缺點，使電池能達到前所未有的電池級能量含量值，為高能量密度電池的發展提供了一條新的途徑。Innolith將通過在德國的初步試生產以及與主要電池和汽車公司的授權合作，將能源電池推向市場。Innolith能源電池的開發和商業化預計需要三到五年的時間。
第一款用於電動汽車的不易燃鋰電池
Innolith董事長Alan Greenshields說：“我們多年來對無機電解質及其在可充電電池中的應用進行了全面的研究，使這一新突破成為可能。”他又說：“簡單地說，我們在如何製造具有超強耐用性和循環壽命的大功率電池方面獲得的經驗被證明是製造高能產品的正確基礎。不使用有機物質，對於Innolith高功率產品的穩定性至關重要，消除了高能電池安全風險和化學不穩定性的主要來源。從研發角度看，這一切都已在2018年實現，並取得了幾項非凡的突破。”
據介紹，Innolith申請了能源電池關鍵發明的專利，但沒有透露新技術的電池化學機制。根據能源電池的所有許可協議，Innolith還將保留對所有特種化學品供應的控制權，以保護其知識產權。
新的電池冷卻項目幫助解決續航焦慮
一個新的合作項目已經宣佈，旨在通過開發和演示一種新形式的電動汽車電池冷卻技術來解決電動汽車續航焦慮問題。
電池冷卻解決續航里程問題
i-CoBat項目將整合M&i Materials、WMG和Ricardo的資源和專有技術，致力於新的電池突破，目標是提高功率輸出和電池壽命、更快的充電速度和更低的成本。該項目是英國政府法拉第電池挑戰基金的一部分，將使用M&I Materials的可生物降解介質冷卻液對浸入式冷卻電池組概念進行測試。
Ricardo首席技術和創新官Neville Jackson說：“動力、性能、實用性（如快速充電時間）和價格是說服消費者在下次換車時選擇電動汽車而不是液體燃料汽車的關鍵決定因素。利用當前的電池技術，熱管理是這些領域改進的關鍵，以減少或消除里程焦慮，並促進消費者對電動汽車的接受。”
他認為，這種接受需要更高容量的電池，反過來，更快的充電速度有助於推動電動汽車產業。然而，隨之而來的是熱管理方面的問題和挑戰。在快速充電過程中，電池可以產生比正常駕駛和充電操作高出三倍的熱能。如果工作溫度超過上限，電池的性能和效率可能會惡化，並且加速老化。目前的電動汽車電池組往往使用空氣冷卻或水/乙二醇冷板冷卻或者一種製冷劑，該項目將測試其使用可生物降解介質冷卻液的電池組概念。
“當我們試圖從電池中提取最大可能的能量和耐久性，並儘快補充能量時，熱管理變得至關重要。這不再只是一個保持電池冷卻的問題，而是為任何給定的操作優化溫度。華威大學WMG高級推進系統教授David Greenwood說：“不同製造商使用的冷卻機制有很多，這個項目使我們能夠研究一種與可生物降解冷卻劑緊密耦合的冷卻機制。”
減少天氣對電動汽車續航里程影響獲突破
電動汽車的車主都知道，到了冬季，續航里程可能會受到嚴重影響。其中一個重要原因是因為沒有來自發動機的廢熱可利用，使用直接電阻加熱來加熱座艙。然而，一個新的熱泵已經表明，它可以減少里程損失高達20%。
廢熱利用也可加大續航里程
為了減少動力傳動系電池的負載，Mahle公司開發了一種緊湊、經濟的集成熱系統（ITS），它將各種熱部件組合成一個系統。
其結構的核心是一個半密封製冷劑迴路，包括冷卻器、冷卻冷凝器（i-condenser）、熱膨脹閥和電動壓縮機。冷卻冷凝器和冷卻器的功能與傳統制冷劑迴路中的冷凝器和蒸發器相同。然而，在這種情況下，製冷劑不與空氣交換熱量，而是與冷卻液交換熱量，從而產生冷、熱冷卻液流。
在小型電動車的實地測試中，Mahle證明了其ITS減少了巡航里程的損失，特別是在寒冷的環境溫度下。使用的原車配備了傳統的電加熱，起步巡航里程為100公里。當該車裝備了智能交通系統後，巡航里程增加到116公里。
Mahle高級工程熱管理總監Laurent Art說：“有了ITS，我們可以根據設計將巡航距離提高7%到20%，這尤其大大減少了冬季巡航里程的損失。”。
運輸鋰離子電池有了新方法
隨著電動汽車銷量的增加，人們越來越擔心受損和有缺陷的鋰離子電池組的運輸問題。目前，運輸這些汽車電池是一個昂貴的過程，因為它們要放在一個價值1萬歐元防爆箱中，另外還有1萬歐元用於聯合國認證，電動汽車製造商正在為其買單。不過，華威大學的WMG研究人員與捷豹路虎工程師合作，已經能夠用一種廉價環保的方法——液氮冷凍電池。華威大學WMG的研究人員將特斯拉尺寸電池裝在幾百英鎊的塑料容器中運輸的做法變得更加容易採用。
在《儲能雜誌》發表的《鋰離子電池快速低溫冷凍後的循環壽命》一文中，研究人員強調，低溫冷凍不會降低鋰離子電池的能量容量，也不會影響循環或使用壽命，而且可以以更安全的方式運輸。
防爆箱是用來裝電池的，以防電池熱失控，過熱狀態可能導致劇烈爆炸和有毒氣體釋放。然而，能夠低溫快速冷凍電池就可以完全消除爆炸的危險，因此可以在塑料箱中安全運輸。
由ESPRC、Catapult和捷豹路虎資助的ELEVATE項目的研究人員在用液氮冷凍之前和之後測試了電池的活性，他們還把釘子釘進冷凍電池中來測試其安全性，並設法證明它們的性能在冷凍後沒有受到影響。
把釘子釘進冷凍電池測試安全性
在運輸過程中，電池必須放在-35度的卡車裡，用防爆箱所佔的空間明顯少於之前的包裝，這使得過程更加可持續。華威大學WMG的Thomas Grandjean博士評論道：“用液氮冷凍電池可以節省數千英磅，並使電動汽車製造商更可持續。”他補充道：“我們在最極端的濫用條件下對電池進行了測試，比如在電池中釘釘子，引發外部短路，證明冷凍過程是有效和安全的。”
改進遠沒有完結
既然鋰電池是目前最有效的電動汽車動力來源，且在未來還有繼續提升的潛力，業界對它的改進一直在繼續，包括如何測試和回收舊電池。篇幅所限，只能簡單列出一些最近的進展：將導電碳更均勻地分佈在電池電極上消除消費者對過早更換車輛的擔憂；使用人工智能預測電池壽命；Formula E實施電池回收計劃；用舊車電池為發展中國家的農場供電等等。
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