未来电池：电动车崛起的新基石
2024-10-21李伟
随着电动车日益普及，电池技术成为极为广泛和深远影响人们生活的新科技之一。传统锂离子电池在生产和回收过程中产生的环境问题不容忽视，其安全性也面临挑战。一场有关未来电池的竞争正在火热进行中，越来越多的科研人员和技术公司开始寻找更高效、更安全、更环保的新型动力电池。
目前动力电池领域呈现出多样化发展趋势，钠离子电池、锂硫电池和固态电池各具优势。虽然尚无一种电池类型能够提供完美的解决方案，但业界共识是：新技术的竞争和优势互补是动力电池发展的必经之路。未来必有一款或多款新型电池成为电动车崛起的新基石。
钠离子电池：拥有成本优势
英国电池技术公司Faradion开发的钠离子电池，吸引了全球能源公司的目光，也受到美国《连线》等科技媒体的关注。Faradion公司首席执行官詹姆斯·奎因在接受采访时表示：“钠是比锂更具有可持续性的电池材料。”
《连线》指出，钠在世界各地随处可见，其提取过程中的耗水量相对于锂要少得多——提取1吨锂消耗的水资源是提取1吨钠的682倍。另外，生产钠离子电池在材料成本上也更具优势。例如，可以采用成本更低的铝箔替代生产锂离子电池所需的铜箔。
澳大利亚迪肯大学电子材料和腐蚀科学系主任玛丽亚·福赛斯表示，从锂离子电池转向钠离子电池，生产成本将大幅下降。从电池工业角度看，现有的锂离子电池工厂稍加改造，即可转型为钠离子电池工厂。这意味着相关厂商能够迅速扩大钠离子电池的生产规模。不仅如此，钠离子电池还有一个优势——更加安全。它能够放电至零伏，即完全排空电量，从而在储存和运输过程中更加安全。另外，钠离子电池的易燃性较锂离子电池低得多，从而成为更安全的能源。
据英国广播公司（BBC）报道，中国中科海钠公司在2019年就推出了100千瓦时的钠离子储能站，证明钠离子电池可用于大规模储能。2024年初，该公司与江淮汽车旗下品牌“钇为”联合推出钠电版电动车，目前已向用户批量交付。
不过，钠离子电池也有缺点——能量密度相对较低。对于电动车制造商来说，这可能影响车辆的续航里程。锂离子电池的能量密度在150—220瓦时/千克之间，而钠离子电池的能量密度范围为140—160瓦时/千克。
此外，钠离子电池在其使用寿命内的可充电次数较少，约为5000次；而锂离子电池中最耐用的磷酸铁锂电池，可充电8000—10000次。
科学家正在努力攻克难题，以便补齐钠离子电池的短板。据BBC报道，中国科学家和工程师使用不同类型的电极，增加了钠离子电池使用寿命内的可充电次数——从5000次增加到6000次。
锂硫电池：续航达数千公里
锂硫电池作为新一代电池，凭借其独特的结构和材料，成为可持续能源领域的一颗“新星”。锂硫电池在组成上与锂离子电池相似，但其阴极材料采用了地壳中含量丰富的硫。这种元素在开采过程中所消耗的资源较少，而且它还是天然气工业和石油精炼工业的副产品。
与上文提到的钠离子电池能量密度较低不同，锂硫电池的优势是能量密度高——达到锂离子电池的9倍，比钠离子电池更是高出许多。这意味着它能提供更大的功率。
据韩国《朝鲜日报》报道，理论上，配备锂硫电池的电动车充电一次，可行驶约4000公里。一些国家的研究人员正致力于寻求锂硫电池技术上的新突破。韩国LG能源公司此前成功试飞了一架由锂硫电池驱动的无人机。该公司计划到2027年，批量生产能量密度为锂离子电池2倍的锂硫电池。德国电池初创公司Theion也积极探索，将锂硫电池引入电动车制造业。
锂硫电池的短板是充电性能。在充电过程中，硫和锂的化学反应会产生硫化锂，这不仅会影响电池性能，还可能导致电池内部结构发生变化，从而缩短电池的使用寿命。
此外，如何解决硫的溶解问题也是一个技术难题。锂硫电池在放电过程中，硫会溶解在电解液中。这不仅会逐渐减小电池的容量，还可能影响电池的稳定性和安全性。
据《澳大利亚人报》报道，悉尼大学的一个研究团队在优化锂硫电池性能方面取得了突破。他们使用经过硫和氮处理的碳基电极，有效简化了相关化学反应。这不仅能减少锂硫电池的能量损失，还能延长电池的使用寿命。
领导该团队的悉尼大学电力工程学教授比尔·詹金斯表示，上述突破性进展有望大幅提升锂硫电池的性能。“通过改良电极材料并精确控制电池内部的化学反应，我们能够使这种电池的续航力显著提升。这意味着未来的电动车充电一次，能行驶数千公里——那代表着电动车的崛起。”
固态电池：安全性极佳
固态电池以创新的固态电解质技术，为电池领域带来了新的变革。与传统电解液不同，固态电池采用固体电解质。相对于锂离子电池，固态电池能够有效防止锂枝晶（易造成电池“热失控”，引发燃烧甚至爆炸）的形成，易燃性极低，因此拥有极佳的安全性。
此外，固态电池拥有更高的能量密度和更快的充电速度，这使其成为未来动力电池的有力候选者。
据美国《科学》杂志报道，固态电池的商业化之路并非一帆风顺。美国芝加哥大学普利兹克分子工程学院教授雪莉·蒙指出，固态电池在扩大生产规模上面临较大挑战，且目前其制造成本大幅高于锂离子电池。
《科学》杂志指出，固态电池领域的突破性技术正在不断涌现。例如，美国Solid Power公司基于硫化物电解质的固态电池设计，已展现出比锂离子电池高50%—100%的能量密度。该公司计划到2028年，为80万辆电动车提供动力。
固态电池发展的难点主要在于成本。在提供相同的能量输出的情况下，固态电池的成本是锂离子电池的7—10倍。日本丰田汽车公司正致力于解决固态电池的降本问题。预计到2027年，该公司将推出成熟的解决方案。到2030年，固态电池的成本有望降到与锂离子电池相当的水平。
编辑：姚志刚" " winter-yao@163.com
