电池革命：电动汽车续航里程提升与成本降低的探索

电池革命：电动汽车续航里程提升与成本降低的探索

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研究人员正在尝试不同的技术方法来降低电池成本、延长行驶里程并实现其他改进。

英国将在 2035 年禁止销售汽油和柴油汽车，一辆电动汽车正在停车场充电。图片来源：Chris //Getty

电动汽车电池领域正在酝酿一场革命。日本汽车制造商丰田去年表示，计划在 2027-28 年推出一款续航里程为 1,000 公里、充电时间仅需 10 分钟的汽车，使用的电池将液体成分替换为固体成分。多家中国制造商已宣布计划在 2024 年前推出廉价电动汽车，其电池不再使用当今最好的电动汽车 (EV) 所用的锂，而是使用地壳中最丰富的元素之一——廉价的钠。一家美国实验室研发出一款梦幻电池，部分以空气为动力[1]，其能量足以为飞机提供动力，令世界惊叹不已。

几十年来，传统锂离子电池一直主导着电动汽车，而类似的替代技术也正在涌现。尽管锂离子电池很难被击败，但研究人员认为，一系列新技术将很快填补电池市场的不同空白：有些非常便宜，而有些则提供更大的功率。加州大学伯克利分校的材料科学家塞德说：“我们将看到一个多元化的市场。”

开发更优质汽车电池的竞争十分激烈，很大程度上是因为汽车市场正在以惊人的速度增长。十多个国家已经宣布，到 2035 年或更早，所有新车都必须是电动汽车。国际能源署预测，全球道路上的电动汽车数量将从 2021 年的 1650 万辆增加到 2030 年的近 3.5 亿辆（见 /），到 2050 年，电动汽车电池的需求将达到 14 太瓦时 (TWh)，是 2020 年水平的 90 倍 [2]。

汽车电池有一系列严格的要求。它们需要用尽可能少的材料和重量来容纳尽可能多的电力，这样汽车一次充电就能行驶更远。它们需要加速能力强、充电速度快、使用寿命长（常见标准是 1,000 次完全充电周期，这应该能让消费者使用 10-20 年）、在很宽的温度范围内工作，并且安全且便宜。“同时优化所有这些目标非常困难，”加拿大滑铁卢大学电池研究员 Linda Nazar 说。

因此，研究人员根据目标寻求不同的解决方案。美国能源部 (DoE) 于 2017 年启动了一个项目，目标是将电池能量密度提高到每千克 500 瓦时 (Wh kg-1)，比目前的最高水平提高 65%。美国高级研究计划署能源 (US-R&D) -1K 项目于去年启动，雄心勃勃地设定了 1,000 Wh/kg 的长期目标。至于成本，美国能源部的车辆技术办公室计划到 2030 年将目标价格降至每千瓦时 60 美元，约为目前价格的一半。该办公室认为，这意味着电动汽车将与耗油的汽油车相提并论（见“动力启动”）。

参考文献：参考文献 3

很难确定各种电池类型的实际发展情况。尚未上市的电池或汽车的商业公告有时会突出某一指标而非其他指标。除非在真实车辆上完成多年的测试，否则某些专利声明也无法验证。但纳扎尔表示，很明显，数十年来对固态电池和钠电池等新型电池的研究终于结出了硕果。至于遥远的未来，许多可用于电池的化学物质仍然是诱人的可能性。“今天每个人都知道电池开发很重要，每个人都在努力推动它，”她说。

电极革命

电池实际上是一种化学三明治，其工作原理是将带电离子通过某种中间物质（电解质）从一侧（阳极）转移到另一侧（阴极），而电子则在外部电路中流动。给电池充电意味着让带电离子流回阳极（参见“电池的工作原理”）。

参考文献：改编自 G. et al. 575, 75–86 (2019) 和 G. Offer et al. 582, 485–487 (2020)

如今，大多数电动汽车都使用某种锂离子电池。锂是元素周期表中第三轻的元素，有一个活跃的外层电子，这使得锂离子成为极好的能量载体。锂离子在阳极（通常由石墨制成）和阴极（由金属氧化物制成）之间移动，两者都在原子层之间包含锂离子。电解质通常是有机液体。

自 1991 年推出首款商业产品以来，锂离子电池已经取得了长足的进步：能量密度几乎增加了两倍，而价格却下降了一个数量级。[3] “锂离子是一个强大的竞争对手，”Ceder 说。随着锂离子进一步改进，一些人认为它将长期占据主导地位。“我认为锂离子将在未来几十年内继续成为电动汽车的主流电池技术，因为它已经足够好了，”加利福尼亚州洛斯阿尔托斯一位最近退休的科学家说，他曾在 2009 年至 2015 年期间领导 IBM 的一项电池研究项目。

迄今为止，锂离子电池的大部分进展都来自阴极材料的改进，从而产生了几种类型的商用电池。一种类型使用钴酸锂，主要用于笔记本电脑。这种电池相对较轻但价格昂贵。其他类型使用镍和钴的混合物，以铝或锰作为稳定剂（NCA 和 NCM），主要用于电动汽车。还有磷酸铁锂电池（LFP），它不使用昂贵的钴和镍，但迄今为止能量密度相对较低（参见“锂离子电池的类型”）。磷酸铁锂的低成本使其具有吸引力，许多研究人员和公司正在努力改进它。美国电动汽车制造商特斯拉决定在 2021 年中档车中改用磷酸铁锂电池。

参考文献：IEA；Y. Miao 等人 12, 1074 (2019)。

阴极材料成分还有进一步调整的空间。在 NCM 电池中，研究人员一直在减少昂贵的钴的使用量，转而使用能量密度更高的镍。在这一过程中，研究人员已经开发出镍含量为 80% 的商用电池阴极，目前正在开发镍含量为 90% 的阴极。

同时，在阳极方面，一种常见的选择是用硅代替石墨，硅是一种每单位重量可以储存十倍锂原子的材料。但是硅在充电和放电循环过程中会膨胀和收缩约 300%，给电池结构带来很大压力并缩短其使用寿命。

比硅更好的阳极材料是锂金属本身。“这样不会浪费任何材料，”美国能源部车辆技术办公室的化学工程师布莱恩说。除了减轻重量之外，这还可以加快充电速度，因为无需等待锂离子插入任何原子层之间（从技术上讲，这种变化使电池成为锂金属电池而不是锂离子电池）。但这种策略的一个大问题是，在充电过程中，锂往往会不均匀地重新沉积在阳极上，在沉积物较多的地方形成树状突起，称为树突。这些树突可以刺穿电解质并使其短路。

理论上，具有更好电极的锂金属电池可以实现极高的能量密度，但通常会以牺牲电池寿命或安全性为代价。去年，中国的一个研究小组报告了一种使用锂金属阳极（和富锂阴极）的电池，该电池在实验室中实现了超过 700 Wh kg-1 的能量密度。[4] 该研究团队位于北京的初创公司蔚蓝新能源（新）正致力于开发和商业化这种方法和其他方法。另一个有前途的高能量密度想法是锂硫（LiS）电池，它具有锂金属阳极和硫阴极。但硫会与锂发生反应形成可溶产物，这些产物会沉积在阳极上并损坏电池。Ceder 表示，锂硫电池“已经尝试了 30 年，但仍然面临重大挑战”。

由于采用更好电极的电池存在诸多问题，许多人认为最诱人的解决方案是使用固体而不是液体作为电解质。

完善的计划

固态电池的理念是使用陶瓷或固体聚合物作为电解质，允许锂离子通过但阻止枝晶的形成。这不仅使全锂阳极的使用变得更加容易，带来能量密度上的优势，摆脱易燃的有机液体也意味着消除了可能发生火灾的风险。纳扎尔表示，固态电池的架构比液体电池更简单。理论上，固态电池性能更适合低温（因为没有在低温下变得更粘稠的液体）和高温（因为与电极接触的界面在加热时不会受到很大影响）条件。

但固态电池也面临挑战——特别是如何在各层之间创建光滑、无瑕疵的界面。此外，离子在固体中的移动速度往往比在液体中慢，从而限制了功率增益。固态电池需要全新的制造工艺。“据我们所知，固态电池更贵，”Ceder 说。

“固态电池技术在未来一定会大放异彩，这一点毋庸置疑。但要实现这个目标，难度非常大。”他说道。

一些电池公司正在大力推动固态电池的发展。例如，总部位于科罗拉多州路易斯维尔的 Solid Power（与汽车制造商宝马和福特合作）已经开始试生产硅基阳极固态电池，据称其能量密度高达 390 Wh kg-1。总部位于加州的 （已与大众等制造商签署协议）拥有另一种固态电池技术，该技术具有锂阳极的优势，但重量更轻且无阳极：锂金属集中在阳极侧，但阳极上不需要锂板。一些技术细节受专利保护。它已经发布了一些原型的性能数据，但没有透露其电解质的成分或预期的首款商业产品的能量密度。总体而言，固态电池声称的更高能量密度目前“尚未在任何商业化规模上得到证实”，Ceder 说。

固态电池驱动的汽车似乎永远停留在“即将推出”的阶段：例如，丰田最初的目标是在 2020 年代初实现固态电池的商业化，但现在这一日期已被推迟到 2020 年代末。“丰田在过去十年里对电池说了很多，但并没有兑现，”Ceder 警告说。但 Nazar 认为这个时间表大致是可以实现的。“我相信我们很可能会在 2025 年看到其中一些电池进入市场，”她说，尤其是考虑到一些雄心勃勃的中国公司的存在，包括全球最大的电池制造商、总部位于宁德的 CATL。

与此同时，许多研究人员正在寻找提高固态电解质性能的方法。德国慕尼黑工业大学的化学家鲁普在慕尼黑创立了一家名为 QKera 的公司，该公司生产的陶瓷电解质温度仅为传统工艺的一半，即 1,000°C。这有助于限制制造过程中使用的熔炉产生的二氧化碳排放量，并解决电解质与阴极粘合的一些问题。纳扎尔说，另一条有前途的技术路线是固态电池的新型氧化物卤化物电解质。其中一些电解质“粘性强”，因此更灵活，这应该使它们更容易制造，也更不容易破裂。[5] 其他电解质具有极高的导电性，允许锂离子像在液体而不是固体中一样快速穿过它们，从而带来相关的功率优势。[6] 纳扎尔说，其他公司正在开发固态版本的锂硫电池。

许多人认为，固态电池彩虹尽头的黄金宝藏将是锂空气技术。这种电池使用锂金属阳极和基于锂与氧结合的阴极。氧气从空气中提取出来，并在电池充电时再次释放。由于阴极的关键成分不需要储存在电池中，因此这种电池每单位质量可以储存更多的能量。但这个想法长期以来似乎只是推测。“我的一些同事称它为化学童话，”纳扎尔说。

伊利诺伊州阿贡国家实验室的材料科学家拉里和他的同事在 2023 年发表了一篇令人惊讶的论文，被媒体广泛报道。该团队展示了一种实验性的固态锂空气电池，该电池已在实验室中进行了 1,000 多次循环测试[1]。该团队表示，其硬币大小的测试电池的能量密度约为 685 Wh kg-1，应该能够达到 1,200 Wh kg-1，是当前锂离子电池的四倍，大致相当于汽车中汽油的能量密度。该实验系统使用了一种新的化学方法，甚至连研究它的团队都感到惊讶。以前的锂空气电池项目通常使用液体电解质在阴极产生超氧化锂[1]或过氧化锂（Li2O2），为每个氧分子存储一到两个电子。新电池使用氧化锂（Li2O），可以存储四个电子。这些额外的电子转化为更高的能量密度，而且该系统似乎比以前的产品更稳定，这应该可以延长电池的寿命。

一名员工在中国南京的一家车间操作电动汽车的电池系统。图片来源：Xu /VCG/Getty

“他们做的事情太不可思议了，”斯图尔特说。“他们可以使用普通空气，其中含有水分、二氧化碳和所有未过滤的垃圾。没问题。”但许多人表示，他们想等到这项技术被复制后再欢呼。虽然这是一个很棒的储能系统，但目前还不清楚它在现实生活中的效果如何——例如，如何让空气进出，以及它是否可以增加尺寸并在更高的电流下运行。“这肯定会花很长时间，甚至比开发锂硫电池还要长，”斯图尔特说。

鉴于该技术具有如此高的能量密度，该团队正在考虑将航空作为其最佳应用，他说。他对此表示赞同。他说“能量密度对于飞机来说是一个非常非常重要的因素”，他特别看好电动垂直起降飞机，预计这种飞机将用于“飞行出租车”。如果这听起来像是一个幻想，那么2023年10月，电动空中出租车在中国获得了飞行许可——它​​甚至不需要飞行员，而且有几家公司已经制造出使用锂离子电池可以飞行数百公里的飞机。从机场到酒店的空中出租车可以避免交通拥堵，这是一个即将腾飞的新兴行业，他说。

降价

一些科学家认为，比起继续寻找能够储存更多能量的神奇电池，最紧迫的问题在于需要选择一种廉价且长期可持续的电池化学物质。

“最大的挑战都是资源问题，”Ceder 说道。他估计，到 2050 年，汽车电池的年产量将达到 14 TWh，总共需要 1400 万吨金属材料。这不是一个小数目。相比之下，目前全球锂矿开采量约为每年 13 万吨，钴矿开采量接近 20 万吨，镍矿开采量为 330 万吨——用于所有用途，包括非电动汽车电池和镍基不锈钢。鉴于所需数量巨大，选择既不稀缺也不昂贵的金属，并且在开采时不会造成过度的环境破坏非常重要。

许多研究人员和公司正在尝试制造不使用镍、钴或其他昂贵金属的电池。例如，该公司声称其电池具有这一优势，锂空气、锂硫（如果可以开发的话）、其他实验材料[7]以及已经商业化的磷酸铁锂阴极（尽管如果广泛采用磷酸锂技术，可能会对磷资源造成压力）也具有这一优势。Ceder 正在研究一种名为无序岩盐 (DRX) 的替代阴极材料[8]。DRX 依赖于锂离子只能蜿蜒穿过阴极晶体而不是逐层穿透它们的想法，因此阴极可以由几乎任何过渡金属制成。Ceder 的团队倾向于锰和钛。他预计，使用 DRX 阴极的首批电池将比目前的锂离子电池更便宜，且能量密度相似。

或许最终目标是彻底摆脱锂。由于需求强劲和供应紧张，锂金属的价格波动很大。例如，在 2022-23 年，电池级碳酸锂的价格飙升至正常价格的六倍。

研究人员曾尝试用镁、钙、铝和锌等多种其他电荷载体取代锂，但钠的研究进展最快。钠在元素周期表中位于锂的正下方，因此它的原子更重更大，但化学性质相似。这意味着在开发和制造锂电池方面获得的许多经验可以直接复制到钠电池中。而且钠的来源更容易：它在地壳中的储量是锂的 1,000 倍。“钠的储量非常丰富，”Ceder 说，他认为钠电池最终的成本可能在每千瓦时 50 美元左右。

钠电池已投入生产（见 /）。中国企业集团比亚迪已破土动工建造其首家钠电池工厂，该公司预计将在 2024 年初取代特斯拉成为全球最大的电动汽车制造商。中国汽车制造商奇瑞、江铃和江淮汽车今年均宣布在中国推出采用钠离子电池的经济型汽车。这些小型汽车上市时的售价预计在 10,000 美元左右。

从好的方面来看，钠的原子尺寸较大，因此阴极层状金属氧化物中可供选择的金属范围更广，Ceder 说道：“它的化学灵活性更高。”Nazar 认为，研究人员还可以使用钠来制造无阳极固态电池——这是一种诱人的可能性。

但钠比锂重，因此从根本上讲，钠离子电池实现高能量密度的难度更大。钠离子电池的研发时间也相对较短，没有足够的时间找到最佳的电极和电解质材料，使得其目前的能量密度仅相当于十年前锂离子电池的最佳水平。 CATL 声称其钠离子电池在 2021 年已实现 160 Wh kg-1 的能量密度，价格为每千瓦时 77 美元。该公司表示，下一代车型的能量密度将提高到 200 Wh kg-1。 这些较低的能量密度意味着有限的续航里程。使用钠电池的超紧凑型汽车预计宣传的续航里程约为 250-300 公里，而使用锂电池的特斯拉 Model S 续航里程接近 600 公里。

他说：“要达到美国汽车市场所需的水平，化学技术必须不断进步。”美国消费者已经习惯了续航里程更长、体型更大的汽车。

其他公司，包括英国和瑞典的公司，也在推广他们的钠电池（均宣称其能量密度为 160 Wh kg-1），用于为电网储存多余的可再生能源，而钠的重量并不是一个问题。

猜测并测试

电池研发十分艰巨，因为材料的行为并不总是可以预测的。例如，鲁普表示，目前研究人员需要 8-15 年的时间才能设计出一种新的固态电解质并优化其性能，包括使用哪些添加剂以及如何实现高密度锂封装。“作为一名材料科学家，我在退休前只够研究两种半材料，”鲁普说。“这太慢了。”

人工智能（AI）和自动化合成技术正被用于更快地探索更多选择。例如，美国能源部位于华盛顿州里奇兰的太平洋西北国家实验室正在与微软合作，快速开发新型电池材料。通过这种方法发现的锂钠固体电解质目前正在进行初步测试。

但纳扎尔表示，这些人工智能策略受到研究人员所能提供的信息的限制。她说，在电极和电解质材料界面的原子层面上，仍有许多未知数。

最终，专家表示，我们很可能会在未来的汽车中看到一系列不同的电池，就像我们今天有 2 缸、4 缸和 6 缸发动机一样。例如，我们可能会看到用于低端汽车、叉车或特种车辆的钠电池或锂电池。然后，将有用于中档汽车的改进硅阳极或岩盐阴极的锂离子电池，固态锂电池也可能主导这一档位。此外，高端汽车或飞行出租车可能会使用锂硫电池甚至锂空气电池。但还有很多工作要做。“所有尚未商业化的化学反应都有各自的优点和缺点，”他说。“我们的工作是消除所有的缺点。”

参考：

1.，A.等人。 379, 499–505 (2023)。

2. 2050 年实现净零排放：A 代表（IEA，2021 年）。

3. Frith, JT、Lacey, MJ & ，U. . 14, 420 (2023)。

4.Li, Q., Yang, Y., Yu, X. 和 Li, H. Phys. Lett. 40, (2023)。

5.荣格，SK。 等人。 ACS 快报。 6、2006-2015（2021）。

6. Dai, T. 等人，1221–1228 (2023)。

7.Chen, T. 等人，ACS Cent. Sci.（2024 年）。

8. Lun, Z. 等人。 材料.20, 214–221 (2021)。

本文最初于 2024 年 2 月 7 日发表在《自然》杂志的新闻特写部分，标题为《可以为电动汽车提供动力的新汽车》。

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doi: 10.1038/-024-00325-z