电池突破路在何方?

Heinrich Lingner

我们都知道，这个世界并不公平。即使是约翰·威廉·里特（Johann Wilhelm Ritter）或许也会这么想，这位出生于西里西亚的药剂师和物理学家1810年在慕尼黑死于贫困，享年只有33岁。在去世的几年前，他发明了蓄电池，也就是所谓的Ritter充电桩。将铜片和浸有食用盐水的纸板片堆叠在玻璃管中，在给玻璃管充电后，即使取下充电器也会有电流释放出。但是现在电动汽车中所采用的先进的锂聚合物蓄电池并非以这种简单的方式工作。可充电电池以化学方式存储电能，再将其作为电能加以释放。每次电能转换时，都会有一部分传输的能量留在电路中，这个特点与热力学定律有相似之处。

最适用于电池的元素是锂，锂电池（Lithium battery）是指电化学体系中含有锂（包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物）的电池。锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂金属电池通常是不可充电的，且内含金属态的锂。而锂离子电池中不含金属态的锂，并且是可以充电的。锂离子电池一般使用锂合金金属氧化物作为正极材料、石墨作为负极材料。由于锂金属的化学特性非常活泼，使锂金属的加工、保存、使用，对环境有非常高的要求，所以锂电池的生产要在特殊的环境条件下进行。因此虽然锂电池很早就被研发出来，却没有得到广泛应用。随着20世纪末电子技术的发展，以及小型设备的日益增多，对电源也提出了很高的要求，因此大部分针对电池的研究都集中到锂离子电池上（参见第139页）。

对电池进行充电时，电池的正极上会有锂离子生成，生成的锂离子通过电解液运动到负极。而作为负极的碳，呈层状结构，且有很多微孔，达到负极的锂离子会嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，则充电容量越高。同样，对电池进行放电时，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，再次运动回正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。因此充放电的过程，就是锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。

第一款锂离子电池于在20世纪70年代初在慕尼黑研发而成，但并未在实际中得到充分使用。80年代中期，随着数码产品如手机、笔记本电脑等产品的大量出现，锂离子电池凭借其优异的性能得到了广泛应用。而在电动汽车的使用中，长久以来，需要解决的一个问题就是电池的能量密度问题。虽然在锂离子的技术方面已有进步，但是进度幅度并不算大。能量密度是指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小，电池的能量密度用于比较单位体积的电池所储存的电量，以兆焦/千克（MJ / kg）为单位。

从第137页的图表我们可以看出，近年来，在电池研发方面没有取得什么太大的进展。当然，我们还可以换一种方式说明：如果加满一千克的柴油，一辆省油的现代汽车可行驶20公里，如果搭载一千克重的锂聚合物蓄电池的电动汽车，则其续航里程也许会多出1公里。专家估计，使用锂离子蓄电池或锂聚合物蓄电池会增加电动汽车的续航里程，但我们不要期待会有太大的飞跃。此外，续航里程与温度有关——系统温度越低，释放的能量越少。在低温状态下，采用锂聚合物电池的效果就像邻居小型柴油货车中的老旧铅酸启动电池一般。

锂聚合物是锂离子电池中的电解质液体，可由聚合物塑料凝胶代替。其优点是，电池几乎可以制成任何形状，而且具有比锂离子电池更高的能量密度。但是，由于这种电池容易自燃，所以需要搭载非常昂贵的充电和温度管理系统。这是一个三星和特斯拉不得不面对的严峻问题。

目前尚无完美的电池

电池在供电运行方面的另一个缺点或许对于汽车来说并不严重，但对于飞机来说至关重要：当液体燃料燃烧，并处于气态的时候，运输工具或飞机会变得更加容易操作，而电池的重量保持不变。尽管电池化学原理基本是相同的，研究人员还是期望在固态电池的技术方面有所突破。但是，将电极材料和电解质层以微米薄的厚度压到隔膜材料上，其生产工艺更为复杂，生产成本也特别高。

虽然目前正在对其他可获得离子的金属进行研究，但是，无论如何，目前电池的配方中还是需要用到价格较为昂贵的锂和钴。另外，还有一些问题尚待解决，例如电极材料与电解质有效接触较弱，界面阻抗较大等。然而，汽车制造商对固态电池仍然是寄予厚望的。但是，是否能够量产呢？目前尚不得而知。

对于液体电池或氧化还原蓄电池来说更是如此。这些电池可以作为大型能量存储装置使用，例如用于风力涡轮机的浮充蓄电池。电解液经过正极和负极，电极被离子渗透膜隔开。

NanoFlowcell公司推出了搭载液流电池系统的车型。在液流电池中，电极部分和电解液部分是分离的，在充放电的过程中，电解液在泵的作用下通过电极，电解液中的电解质在电极处发生氧化还原反应，释放吸收电子。在需要补充能量的时候，只需要更换掉原来的电解液即可，甚至充电的速度还快。虽然NanoFlowcell已经在日内瓦车展上展示了这款原型车，但电池性能究竟如何，仍然需要進一步进行测试加以验证。因此，在继约翰·威廉·里特研发出蓄电池之后的208年，我们找寻完美电池的艰巨任务仍在继续。

能量密度

能量密度（测量单位：兆焦 / 千克）是研究电池所要面临的难题之一。汽油和天然气的能量密度是所有类型电池的很多倍。现在已经研发出一种能量密度4到5 兆焦 / 千克的、非常适合日常使用的车用动力电池

奥迪 e-tron的内部电池结构

e-tron搭载两台电动机，最大综合功率可达300千瓦，95千瓦时的锂电池包由432块电池组成：与保时捷Taycan和捷豹I-Pace相比，奥迪e-tron是迄今为止在技术方面投入资金最多的车型之一。下面我们来看看它电池和电动机的具体构造：

电池制造商及其联盟

亚洲电池生产商的主导地位相当稳固，几乎无法改变。

以下是对大型电池制造商、客户和电池制造商新联盟的简要介绍：

无论是中国的比亚迪和宁德时代（CATL），还是松下、LG化学和三星，都是世界上较大的电池制造商，目前正在承接大量订单。最近，戴姆勒在这些亚洲企业订购了价值200亿欧元的电池。例如，宁德时代（CATL）将花费2.4亿欧元在联邦德国图林根州设立超级电池工厂（Gigafactory），并为宝马制造价值40亿欧元的电池。三星也将积极参与到为宝马制造电池的项目中。大众不仅确定CATL、LG 化学和三星作为合作伙伴，现在还增加了SK Innovation。究其原因，是因为现在对电池的需求量实在是太高了。到2025年，该集团每年电池至少需要达到150GWh的产能。相比之下：特斯拉和松下的目标是在内华达州最大的电池厂达到35GWh的产能。有趣的是，电池制造商们也在打造自己的联盟。雷诺、日产和三菱共同投资智能初创企业，例如Ionic Materials公司和大众汽车就在美国的QuantumScape公司投资了1亿欧元。马自达、丰田和Denso也在积极合作，进行电池项目的研发。但是这些企业的研发目标都是：固态电池。

电池原材料的争夺大战

电动汽车将大量涌现。所有汽车和电池生产商都在争夺这些原材料。甚至像刚果这样极端贫穷和不稳定的国家也参与其中

电动汽车生产商和用户们都对电动汽车的未来发展寄予厚望，因此对电池的需求也在迅速增加，而某些金属原料也因其稀缺性变得越来越供不应求。因此，保证大量库存就变得非常重要。其中，最稀缺的材料是钴。2016年，政局不稳定的刚果生产了84 000吨钴，占世界总产量的60%。由于储量有限、价格攀升，钴也成为新能源汽车发展的关键。很多汽车厂商以及电池企业都在研发降低钴比例的电池材料配方，有的甚至已经开始研发无钴电池，但是目前看来，无钴化解决方案还难以实现。奥迪与全球知名的锂离子电池正极材料制造商优美科（Umicore）合作，在新款奥迪e-tron电动汽车的高压电池中采用闭环回收法，将有价值的材料（如钴、镍、铜）回收利用。

专访马丁·温特教授

“锂离子蓄电池仍然是我们的领先技术”

您如何评估未来十年驱动电池在能量密度方面的进步？

到2025年，我们预计相同尺寸蓄电池的能量密度将从50%增加至70%。续航里程将从350公里增加到500公里。

这些车辆将配备哪种电池技术，您认为未来几年最有希望的是什么？

增加续航里程将通过未来进一步发展的锂离子技术得以实现。2025年之后，我们将在高压锂离子系统和锂金属电池等方面找到更好的解决方案。但是，目前这些方案仍处于研发阶段。

关键词：固态电池——是否适合量产，如果适合，将以何种形式生产，投入生产的时间大概是什么时候？

在未来的五年内，我们将学到更多东西，以便我们能够更好地回答您的问题。目前，最具有发展前景的当属以金属锂为负极的锂金属电池，因为这种电池具有极高的能量密度。至于是否能在2023年至2025年实现量产，目前尚无可靠数据予以支持。

锂和钴被认为是最重要的电池生产原料，目前，是否有替代原料？

钴是至关重要的。我们正在努力大幅减少其使用含量。作为替代材料，我们正在研究富含锰的材料。但是，钴原料还是不可缺少的。虽然锂并非稀有材料，但是要使鋰电池满足电动汽车的大功率要求，在技术上也是一项不小的挑战。而钠离子电池或镁电池则是价格比较昂贵的替代材料。