鉴于电动汽车和混合动力汽车慢慢地成熟，其逐渐变成可替代汽油机和柴油机并更具有吸引力的汽车，而电池的发展可以进一步推动其发展。

近几年，基于纯电动和混合动力的电池技术发展迅速。好几年前，很少有汽车厂商接受锂电池，但是现在却几乎变成了行业标准。绿色议程已经帮助许多人完成了替代能源路线，但是通过不断提供更具有吸引力和功能的产品来保持他们的兴趣是关键。因此，电池的开发商和系统集成商正忙于寻求增加电池能量密度、减轻重量、减少尺寸大小和降低成本的办法。

图1  Panamera和Cayenne车型上的混合动力驱动系统

责任主要在于一级供应商身上，但就整体而言，OEM厂商都非常希望对他们想要的东西具有发言权。比如在Panamera和Cayenne车型上推出混合动力驱动系统（见图1）后，保时捷就将其全新的插电式混合动力技术应用到Turismo车型（见图2）上。“我们需要降低电池的复杂性和成本，不只是让电池系统能与现有的软件构架在一起工作，而关键是将电池集成到现有电动车的车身结构中。对于典型的跑车，我们的目标是高性能、高效率的系统。可重用电池组件的发展是非常重要的，而能够适应的新的电池技术还没有被重新研发，在短期内，保时捷将优化现有的概念，使用一些其他的电池来满足电力电子和电动机的最优电压范围。”保时捷电动汽车总经理Otmar Bitsche先生说道。

图2  相较于镍氢化合物电池，搭载锂离子电池组的保时捷Turismo车型更具强大动力

日产已经在新型动力方面投入巨资，效果良好，其中最引人注目的当然是Leaf家用轿车及其电池组（见图3）。日产对这些先进组件可能对成本带来的影响持谨慎的态度。“电动汽车电池行业内的一个明显的挑战是扩大行驶里程，并具有更低的制造成本，作为制造商，我们都在尝试不同的方法来达到这些目标，”日产全球电池业务负责人Kazuo Yajima先生表示，“当前车辆的电池性能可以达到了或超过了80%欧洲人对行程的要求，即每天开车行驶少于100km，但是我们专注于开发体积更小、性能更高的电池，来提升电池的能量和功率密度，增加应用的灵活性。”

图3  日产Leaf的电池组拥有主动热管理系统

电池中的化学物质

不可否认，化学物质在现在和未来的纯电动和混合动力的电池中是起主要作用的物质。电池厂商Axeon的高级化学家Allen Patterson表示：“我们承认，一般我们的重点仍旧在于锂离子电池、化学和能源储存系统。但是，不久也许将有新的发展，因为有一系列以锂离子为基础的下一代化学物质可以提高电池的能量密度，比如硅合金系统等。研究表明，硅合金系统可以替代石墨阳极和硅化合物，可以存储更多的能量，空间和体积也可以更小——这种新方案满足了这么多的行业需求，应该是性价比最高的物质。”

目前，大多数电动汽车行驶100km左右就需要充电，IBM认为这是一个关键的障碍，除非可以开发新的电池技术使得电动车重量轻、结构紧凑且价格适中，可以让一个普通的家庭用车一次充电可以行驶几百公里甚至更多。IBM认为，对于目前的锂离子电池，想要实现与汽油机相同的行驶里程，OEM厂商将需要一个容量非常大的电池，而这将增加整个车身的重量并占用很大空间。因此，IBM的电池500项目正在研发一种“锂-空气”技术（见图4），这种技术可以提供比锂离子电池更高的能量密度，因为有更轻的阴极，而且事实上，它们的主要燃料是氧气，容易从大气中获得。为了推广电动汽车，就需要10倍于传统的锂离子的电池能量密度，而这一项目的新的合作伙伴——旭化成（Asahi Kasei）和中央玻璃公司（Central Glass），也将一起助力发展这种锂-空气技术。旭化成是日本领先的化学品制造商之一，亦是锂电池隔膜的领先全球供应商，该公司将利用其在创新膜技术方面的经验制造锂-空气电池的关键部件。作为全球高科技电解质锂电池制造商，中央玻璃公司将利用其化学方面先进技术，开发一组可用于改善锂-空气电池的电解液和高性能添加剂。

“为确保锂-空气电池技术的可行性，新材料的发展是非常重要的。作为IBM的长期合作伙伴和高性能电解质电池的领导者，我们很高兴在电动汽车这个令人兴奋的领域分享彼此的化学技术。”中央玻璃公司常务执行官Tatsuya Mori主任说。旭化成先进的电池材料开发中心负责人TetsuroOhta先生补充说道：“IBM的电池500项目使我们可以探索新的途径，改进可充电电池的性能，这是常规技术所不能实现的。”

图4  IBM创新的锂-空气电池解决方案

Axeon工程师说：“锂-空气电池的阴极材料使用的是过渡金属氧化物，一般是钴、锰和镍的化合物，在两种化学成分相同的粒子间形成复杂的增长结构可以储存更多的能量，并产生更多的能量。它们被看作是新一代能够降低成本的阴极材料，主要应用于低功率的电动汽车中。”据Patterson介绍，因为这些相互增长结构产生更高的能量密度，在电动汽车方面被视为更具吸引力的选择之一，但仍有一段很长的路要走。“LGPCI、巴斯夫和Envia正在研究它们，但硅合金系统仍发展不成熟，因为它存在循环寿命的问题。我们所需要的产品，需要达到数千次循环充电的使用寿命，而它目前只有数百次。”

直至2012年最后一个季度，美国的电池制造商A123系统公司才透露了其广泛赞誉的纳米磷酸盐（Nanophosphate EXT）锂离子电池技术。然而，随着A123系统公司宣布向美国特拉华州破产法院递交了破产保护申请，此后，江森自控（JCI）等零部件供应商表示有意收购其汽车电池业务，不过，2013年1月下旬，中国最大的零部件企业万向集团最终收购A123系统公司资产的请求获得了美国政府的批准。关于未来的纳米磷酸盐EXT（极端温度）技术的进展目前仍不清楚。

A123系统公司解决方案组总监Jeff Kessen先生表示：“纳米磷酸盐锂电池采用正极材料，拥有卓越的倍率性能，对于大功率的系统来说至关重要。拥有纳米磷酸盐EXT技术可以扩大电池的循环使用寿命，得到了比目前系统温度低20%～30%以上的功率，而在高温时，我们也得到较好的循环率。我们仍然像之前一样使用基于碳阳极和电解质的基本面，但是研究中，我们可能通过将不同活性的物质组合在一起发现更大的收益。”究竟纳米磷酸盐EXT技术哪些具体的细节发生了改变还不清楚，但是Kessen先生承认是微调电池中的化学物质，而不是整体变化。

材料事宜

正确的材料选择也受限于雪佛兰Volt的电池供应商LGPCI的重大决策，但他们的T型电池（见图5）的成本仍是电动汽车和混合动力汽车广泛应用的主要障碍。“主要化学物质的研发工作已展开，将能够应对这些挑战，我们始终保持着与电池供应商的紧密接触，作为合作伙伴，LGPCI与通用汽车签署了共同开发电动汽车的协议。位于密歇根州总部的专家已经拥有多种专有技术，如可提供附加安全特征的及大型电池定制的隔膜，这些技术现在也被应用于的其他电池部件，如正负极、电解质等。”LGPCI总监Mohamed Alamgir先生表示。

图5  通用公司的Voltec混合动力系统采用的是T型锂离子电池，在雪佛兰Volt和欧宝Ampera车型中，该电池被安装于液体主动热控中央通道中

当谈到下一代电池化学组成的重大发展时，Alamgir对什么样的消费者能看到他们在未来几年的车辆保持谨慎的态度，他表示：“虽然可替代阳极材料的硅合金系统可能在未来五年大幅应用，进而增加能量的密度、降低成本，锂-空气电池的概念仍然被多种甚至未来10年不能解决的挑战困扰。LGPCI希望与多种成熟的技术结合而更妥善的应用它，重点将是开发具有非常高的能量密度、非常低的成本和热稳定的电池，不仅不需要任何冷却系统，还不需要昂贵的电子控制系统。”

未来十年

展望2020年，电动汽车与混合动力汽车的电池技术将何去何从仍不清楚。Yajima先生表示：“电动汽车的电池仍在发展阶段，很难预测未来的发展。一般说来，最可能有所突破的领域是在材料领域。长期来看，我们可能会重新考虑电动汽车，或许不再将其作为现有内燃机车辆的扩展，而是聚焦到对电池和车辆的优化设计上。”而Bitsche先生则认为，保时捷的插电式混合动力技术将会有更多内部变化，插电式电池仍将保持类似的大小，但将具有更高的能量密度和更高的能量水平，这样的性能将是一个挑战，因为保时捷需要更大功率的动力系统。

Patterson先生表示：“我所强调的基于硅合金系统的化学成分，在历史上注定为电子市场上的消费者准备，但是可能需要比许多人预期更长的时间来达到预期的结果。现有的该方面的化学物质将在未来好多个年头保持，非常先进的铝合金系统将至少还有5～10年的路程。这些新的化学物质会通过验证，并还有很多其他化学物质紧随其后，但是那将是2025～2030年的事情了。潜在的解决方案，如硫锂电池和锂-空气电池或许也将被设计开发出来，并逐步达到标准电池能量密度的3倍，甚至5～10倍。”