提升电池的能量密度

图1 EVida公司生产的锂离子电池组

过去的一段时期，电池开发商们都投入了巨大的资金让他们的工程师开发电动汽车用的电池组，使其能够拥有更长的使用寿命，并使汽车能够行驶更远的距离。现在，他们正在做些什么研究工作呢？

如果您询问20名电池开发工程师，问他们开发未来的电动汽车电池组需要达到什么样的要求？那么您可能会得到20个十分一致的答案：在保障安全的前提之下，电池组应具有较高的能量密度、较长的使用寿命，并使汽车行驶更远的距离。如果您再进一步询问这些专家们：你们将如何达到这些目标？那么您将可能得到100多种不同的答案！

全面考虑

Jonathan Shine先生是英国Evida公司的开发副总裁，他认为电池组不可能采用孤立的方式进行开发，因为电池、电池组和电池的管理是由一套完整的体系组成的。但他接受这样一个观点：电动汽车中的电池大多采用了模块化的结构形式，以提高其使用寿命，并使汽车行驶更长的距离。当然，为了达到最佳的方案，需要考虑多方面的因素。
“首先我们需要考虑的当然是能量密度。”Shine先生说道。普通铅酸电池的能量密度水平约为30Wh/kg，镍镉电池的能量密度约为85Wh/kg，而锂-聚合物电池的能量密度范围则为200～300Wh/kg，锂离子电池的能量密度更是达200～400Wh/kg。显然，在能量密度方面，锂离子电池具有非常明显的优势。

“当然，我们还必须同时考虑的其他因素，包括它们的使用寿命，”Shine先生继续说，“镍镉电池技术可允许充电约2000次，氢化镍金属电池的充电次数要略低一些。我们采用的锂离子电池技术，其充电次数可达三四千次以上。听说最近又有更新的记录——在实验室条件下，其充电次数已达到了惊人的6000次。”

现在我们基本可以认为，锂离子电池已是一种成熟的技术，在可靠性、使用寿命和安全性方面具有非常明显的优越性。

不仅如此，Evida公司还专门开发了适用于LiFePO4电池生产的设备，使电池生产成本不断下降。成本问题当然也是必须考虑的一个非常重要的问题。

重点是提升能量密度

能量密度是电池研究的重中之重。锂离子电池的能量密度相对较高，但仍有待提升。

“最近，我听说一个竞争对手已经使电池组在实验室的条件下达到了5kWh/kg的能量密度水平，我想这一水平必将完全改变今后的游戏规则。这意味着一套40kg的电池组可以使汽车行驶1000km的路程，或使用一套20kg的电池组，其大小相当于一个易于携带的手提箱，可使汽车行驶500km的距离，还包括车内空调供暖！”Shine先生惊讶地介绍道。当然，现在，他们对这种说法仍有一些质疑：第一，该技术是否已经真正达到了这样的水平？第二，如果已经达到了这样的水平，那么产品是否能够投入实际生产？生产成本是否可维持其持续发展？第三，他们使用的是什么材料？可能是一些锂-化学物质？还有一些其他的材料，比如硫、锌和银，还有钠？事实到底怎样，我们还需拭目以待。

这就是目前的电池研发现状。那么该行业今后会向那个方向发展呢？从历史发展过程来看，电池的能量密度水平将以每年2%～3%的递增率增加。Axeon公司是欧洲最大的锂离子电池系统供应商之一，该公司的高级电化学家Allan Paterson博士说，这种增长速度在不断地加速提高。他还说：“我们在基础研究和开发方面已经投入了大量的资金，并已开始渗透到主流的商业电池技术之中。”

然而，从物理学角度来看，在各种不同类型的材料中，究竟可以储存多少能量，实际上是有极限的。例如，从目前的情况来看，所有的锂离子电池都采用一种被称作“intracolation”的原理，其中锂离子处于固体主矩阵之中，因此，其内部可储存的能力当然是有极限的。也许新的化学物质和不同的激发方法都可以成为提升储存能量能力的方法，并可能超越这个极限。

图3 在芬兰Valmet汽车厂Think City生产线上制造的EnterDel锂离子电池

期待新的突破

全世界有很多研究人员在从事能量的储存研究工作，不但包括锂离子电池，也包括超级电容、燃料电池和再生能源，大量的资金正在被投入到能量储存的研发之中，这也许正预示着新技术的关键性突破存在实现的可能性。

“我们已经开始看到一些更新颖、更先进的系统进入市场，当有人想到对某些事情作出进一步改革的时候，可能就会出现令人惊喜的时刻。这不太可能是一些全新的激发方法，但在其他方面，人们确信下一个新的阶段即将来临，他们只需解决目前存在的问题。这其中涉及到了可重复充电的金属-空气电池或合金系统，以作为锂离子技术下一阶段可能发展的目标。” Paterson先生说。

Paterson先生希望在今后5年中能够看到有关新合金系统的公告（主要可能来自于日本），比如可能是硅-锌合金，它将改变阳极，而不是阴极，从而提高能量密度。除此之外，Axeon公司的这位电化学专家说还有几项碧空化学项目——至少20项，最后可成为主流项目，其中一些项目可以解决环绕硫化钠技术的相关问题，还是比较切实可行的。

Paterson先生也看到了新一波具有较高电压和基于氧化物系统的电池。“下一代的电池将可能涉及到纳米材料——高度结构化成分的化合物，具有完全不同的理化特性。”他说，这类材料将特别适合于作为高功率混合动力汽车的材料。

图4 新型梅赛德斯奔驰公司的Atego Blue混合动力汽车采用了一套配有棱镜室的锂离子电池

关于高电压

AVL公司的全球电池开发团队经理Volker Hennige博士希望将开发力量集中在实现较高电压的方面。“目前的技术构筑在双阴极化学物质的基础之上。“一种是锂-离子-磷酸盐，另一种是镍-锰-钴，这对于能量容量和电压是有限制的，”他说。“因此，关键是提高能量密度。有两种方式可以达到这一目的。第一种方式是采用较高容量的材料，或采用较高的电压水平。对于较高能量密度的材料而言，还有第二种方式，就是对于阳极的采用（目前常用石墨）还有其他一些设想，例如采用硅或一些合金材料，比如锌合金，其费用低于钒。但这只能起到部分帮助作用，因为的主要限制基本上来自于阴极。”

“我可以肯定地说，石墨是一种非常不错的选择，但我们还必须在阴极上采取一些措施。在这里，我看到下一步的开发目标将是电压为5V的电池系统。目前我们只局限于4V，如果能够到达5V的电压，那么在同样的容量条件下，可以使电池的能量密度提高20%，而电池的重量和体积仍保持不变。”

Hennige先生认为，在今后的5～10年时间内，可能会是这样的发展趋势——电动汽车的能量密度将提高20%。但他强调说，其所面临的挑战是需要找到合适的电解质。“在4V的系统中，电解质仍存在许多问题。如果采用5V的系统，要找到稳定的材料将更为困难，然而我认为，适合于5V系统的溶液是存在的，也许是在电极上与改进电解质相结合的一些钝化层，例如像离子液体。我个人认为，发生这种情况的几率在50%以上。”

然而，这位AVL公司的技术专家承认，较低效率的电池目前是可以暂时接受的。“但纯电动汽车必须面对现实。如果我们一直等待到出现完美的电能储存系统，那么就太迟了。我们必须在现有的技术基础上开始做起。”

棱镜的力量

随着广泛的大规模研发，还有一家公司在优化现有技术的基础上，成功地应用一系列锂-离子-锰-磷酸盐（LiFeMgPO4）电池开辟了新的领域，这就是——Valence技术公司，该公司的总部在德国德克萨斯州，其应用领域总工程师Bob Beckwith先生说：“在我们目前生产的电池中，有一种伟大的产品，其体积不大，在整个欧洲拥有广泛的客户体系，比如新型梅赛德斯奔驰公司的Atego Blue混合动力汽车就采用了这种电池，但我们需要以合理的价格以及有用和可靠的形式提高其功率密度。”

他所说的这个伟大的产品是“棱镜电池”，一种配有棱镜室的锂离子电池，这种电池具有更高的能量密度，但就其本质而言，棱镜电池并不像其他电池那样结实，从而更适应汽车行业的使用，至少这是该行业的最高需求。“我们最后确定将我们的研发重点集中在棱镜电池上，我们相信我们的决策是正确的，也是超前的。”

Beckwith先生说，Valence技术公司目前正在经营LiFeMgPO4电池，但也在探寻锂-钒-磷酸盐电池和锂-钒-氟磷酸盐电池的量产。“这允许其产生更大的能量和更高电池电压的可能性，”他补充说。“然而，这依赖于非可燃的电解质，在这方面，我们正在与合作伙伴们进行合作。”

放心地出门

“虽然每个人似乎都会有一些行驶范围受限的恐惧感，但当您分析事实时，大部分电动汽车都将可以达到人们日常工作的地方，因此每天可以放心地出门去上班，除非他们的通勤距离确实很不寻常。大部分人们的日常通勤距离不到80km，这完全属于电动汽车很容易达到的距离范围。但是到周末的时候，如果您想要外出旅游达300～500km的距离，那就会出现一些问题。只有当我们能够使用更好的电池技术或电池交换站，还有其他任何可能的更好方式时，才有可能达到这一目标，但要达到那种距离仍然有一定的困难。”

如果全世界的电池组都实现了标准化生产，并因规模化使成本得以大幅降低，那么电动汽车可能才会更受到市场的欢迎。这是我们下一阶段所面临的一个重大问题。Beckwith先生认为：“采用标准技术和标准电池组，您可以到电池交换站更换电池，而不是到加油站加油。有人在这方面进行了尝试，但以失败告终。不过，这种方式仍然具有很大的吸引力。”毫无疑问，凡是从事开发和提高未来电动汽车电池组效率的工程技术人员和研究人员都渴望能共享这一成果。