最新電池技術如何突破電動車“里程焦慮”

美國能源部高級研究計劃署（ARPA-e）項目經理劉平表示，電動汽車里程焦慮問題在業內已經得到了廣泛討論，結論是提高電動汽車里程是一件消耗成本的事情。"

劉平和他的同事曾問自己，“有什么方法可以提高電池性能并降低駕駛成本嗎？”，他們想到了一種可能的方法，使用適當的電化學工藝來提高電池的性能。

他們決定采用更安全的電池化學工藝——不需要大而重的電池結構來保護電池。因此，在實現“增程”的同時，沒有必要增加電動汽車的重量。即使這種電池的能量密度不如鋰電池，總的成本效益仍然更大。劉說：“如果電池組的保護不再是我們關心的問題，那么電池組的安裝方式和結構將不再受到傳統汽車結構的限制。”

澳大利亞審慎監管局致力于降低電動汽車的成本并增加里程。

更安全的電池

與APRA-e在美國開展的其他22個長期研發項目一樣，該項目也是該機構范圍（穩健、可負擔、下一代儲能系統）計劃的一部分。美國能源部希望輕型電動汽車的電池能夠達到單次充電386公里的標準。

有很多方法可以達到這個標準。一些機構開發了不易燃的聚合物電解質，以取代揮發性易燃聚合物電解質和水性電解質。另一種方法是完全放棄使用液體鋰離子電池，轉而使用固體電解質薄膜陶瓷材料。

劉解釋說， “我們決定尋找在化學反應中具有高穩定性、能夠承受大量充放電循環的材料，盡管這些材料的性能可能不如鋰電池。因為這些材料在汽車結構中的應用意味著電動汽車可以大大減輕重量，從而提供相同甚至相同的性能作為高能量密度電池具有更高的效益。

含水電解質

RANGE項目中研究的三種用于電動汽車電池的化學催化劑之一是水性電解質。這種電解質不會將電極“浸泡”在電解質中，而是使用外部存儲，隨時準備進行化學反應發電。

從概念上講，這些可替代的電化學物質與傳統理論相悖。人們普遍認為，流體電池的能量密度不足以支撐電動汽車的里程要求，其體積會非常大。劉說：“我們收到了通用電氣公司（GE）和勞倫斯伯克利國家實驗室的精彩建議，在流體電池中使用不同的化學催化劑，以實現更高的能量密度。”

通用電氣和伯克利國家實驗室將于明年制造一個原型電池，以驗證這一提議。在這種基于水性電解質的方案中，使用了無機材料，在轉移過程中可以攜帶一個以上的電子，并且提高了能量密度。能量被部分氧化的高能有機化學液體提取，從而形成穩定的無氫化合物。特殊的電化學催化劑將直接從電池的正極中提取負載的電子，并且在這個過程中不會產生氫氣。離子與負氧分子結合發電，副產物是水。

含水電解質模型示意圖

劉還指出了另一種“多電子”水溶液，該溶液目前正由馬里蘭大學和陸軍實驗室開發。根據該大學的描述，這種納米材料電池將采用雙離子混合相互作用的模式，將電池電壓從1.2伏提高到2.5至3伏，電池容量也將增加一倍。

非水性電解質

RANGE項目的其他研究項目是關于非水電解質（含有揮發性化合物）的研究。項目經理表示，盡管這種電池系統的維護成本很高，但仍可以被其他好處所抵消。

伊利諾伊理工學院與阿貢國家實驗室進行了合作。他們開發了一種納米電解質，其中含有大量納米粒子，可以在確保穩定性和低流動阻力的同時實現高能量密度……

固態電池

RANGE項目的第三個研究重點是固態電池。固體電解質中的載流子（質子和電子）不如液體電解質中的那些。目前，相關技術尚未被打破。

馬里蘭大學固體氧化物燃料電池技術教授Eric Wachsman利用他的多層薄膜陶瓷加工技術制造了一種新型高導電性鋰離子固體電解質。固體鋰離子電解質和高壓陰極被集成到一個特殊的納米結構中。Wachsman教授的最終目標是通過這種方法制造重量輕、壽命長的固態電池。美國能源部高級研究計劃署（ARPA-e）項目經理劉平表示，電動汽車里程焦慮問題在業內已經得到了廣泛討論，結論是提高電動汽車里程是一件消耗成本的事情。"

劉平和他的同事曾問自己，“有什么方法可以提高電池性能并降低駕駛成本嗎？”，他們想到了一種可能的方法，使用適當的電化學工藝來提高電池的性能。

他們決定采用更安全的電池化學工藝——不需要大而重的電池結構來保護電池。因此，在實現“增程”的同時，沒有必要增加電動汽車的重量。即使這種電池的能量密度不如鋰電池，總的成本效益仍然更大。劉說：“如果電池組的保護不再是我們關心的問題，那么電池組的安裝方式和結構將不再受到傳統汽車結構的限制。”

澳大利亞審慎監管局致力于降低電動汽車的成本并增加里程。

更安全的電池

與APRA-e在美國開展的其他22個長期研發項目一樣，該項目也是該機構范圍（穩健、可負擔、下一代儲能系統）計劃的一部分。美國能源部希望輕型電動汽車的電池能夠達到單次充電386公里的標準。

有很多方法可以達到這個標準。一些機構開發了不易燃的聚合物電解質，以取代揮發性易燃聚合物電解質和水性電解質。另一種方法是完全放棄使用液體鋰離子電池，轉而使用固體電解質薄膜陶瓷材料。

劉解釋說， “我們決定尋找在化學反應中具有高穩定性、能夠承受大量充放電循環的材料，盡管這些材料的性能可能不如鋰電池。因為這些材料在汽車結構中的應用意味著電動汽車可以大大減輕重量，從而提供相同甚至相同的性能作為高能量密度電池具有更高的效益。

含水電解質

RANGE項目中研究的三種用于電動汽車電池的化學催化劑之一是水性電解質。這種電解質不會將電極“浸泡”在電解質中，而是使用外部存儲，隨時準備進行化學反應發電。

從概念上講，這些可替代的電化學物質與傳統理論相悖。人們普遍認為，流體電池的能量密度不足以支撐電動汽車的里程要求，其體積會非常大。劉說：“我們收到了通用電氣公司（GE）和勞倫斯伯克利國家實驗室的精彩建議，在流體電池中使用不同的化學催化劑，以實現更高的能量密度。”

通用電氣和伯克利國家實驗室將于明年制造一個原型電池，以驗證這一提議。在這種基于水性電解質的方案中，使用了無機材料，在轉移過程中可以攜帶一個以上的電子，并且提高了能量密度。能量被部分氧化的高能有機化學液體提取，從而形成穩定的無氫化合物。特殊的電化學催化劑將直接從電池的正極中提取負載的電子，并且在這個過程中不會產生氫氣。離子與負氧分子結合發電，副產物是水。

含水電解質模型示意圖

劉還指出了另一種“多電子”水溶液，該溶液目前正由馬里蘭大學和陸軍實驗室開發。根據該大學的描述，這種納米材料電池將采用mo……

雙離子混合相互作用，將電池電壓從1.2伏增加到2.5至3伏，電池容量也將增加一倍。

非水性電解質

RANGE項目的其他研究項目是關于非水電解質（含有揮發性化合物）的研究。項目經理表示，盡管這種電池系統的維護成本很高，但仍可以被其他好處所抵消。

伊利諾伊理工學院與阿貢國家實驗室進行了合作。他們開發了一種納米電解質，其中含有大量的納米粒子，可以在確保穩定性和低流動阻力的同時實現高能量密度。

固態電池

RANGE項目的第三個研究重點是固態電池。固體電解質中的載流子（質子和電子）不如液體電解質中的那些。目前，相關技術尚未被打破。

馬里蘭大學固體氧化物燃料電池技術教授Eric Wachsman利用他的多層薄膜陶瓷加工技術制造了一種新型高導電性鋰離子固體電解質。固體鋰離子電解質和高壓陰極被集成到一個特殊的納米結構中。Wachsman教授的最終目標是通過這種方法制造重量輕、壽命長的固態電池。

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