丰田“超级电池”取得突破 电动汽车续航里程可达1200公里

英国《经济学人》杂志发表文章,题目是Superbatteries will transform the performance of EVs(超级电池将改变电动汽车的性能)。

当被问及他们最想要电动汽车做什么时,许多驾车者会列出三件事:续航里程长、充电时间短,以及与配备内燃机的类似车辆相比具有竞争力的价格。为了帮助实现这些目标,电动汽车制造商一直在寻找方法,用更先进的“固态”版本取代为大多数现代电动汽车提供动力的常规锂离子电池。这些新型超级电池研发长期以来一直追求充电更快,续航里程更大。终于,经过多年的技术问题,制造这些电池的努力正在取得成果,第一批固态锂离子电池将在未来几年内投入生产。

全球最大的汽车制造商丰田从2012年开始研究固态电池。该公司最近宣布已经取得了“技术突破”,计划最早在2027年开始生产固态电池。丰田声称,其新电池将为电动汽车提供1200公里的续航里程,大约是许多现有车型的两倍,并且可以在大约十分钟内充电完毕。

丰田并非个例。其他开发固态锂离子电池的生产商也在宣称类似的性能数据。例如,日产公司正在横滨建立一个试点工厂,明年将开始生产测试版本。宝马与科罗拉多州的电池开发商Solid Power合作,计划在德国建造一座类似的工厂。硅谷初创公司QuantumScape已开始向大众汽车运送固态电池原型。

开发固态电池花了这么长时间也许并不奇怪。让一种新型电池在实验室工作是一回事,但扩大规模以在工厂生产数百万电池是一件困难的事情。尽管锂离子电池是在20世纪70年代末发明的,但直到20世纪90年代初,锂离子电池本身才完全商业化,最初用于笔记本电脑和手机等便携式电子设备,后来又成为可用于为新一代电动汽车供电的更大版本。

电动汽车自汽车问世以来就一直存在。但这些早期的电动汽车,以及随后几年出现的其他电动汽车,主要由数十种重型铅酸电池供电,这些电池价格昂贵,续航里程有限。锂离子电池重量轻,能够储存大量电荷,降低了成本,增加了续航里程,使交通电气化得以真正开始。固态锂离子电池可能带来更大的转变。

汽车制造商最初被固态电池吸引是为了提高安全性,因为传统的锂离子电池有风险。这是因为它们含有一种液体电解质,这种电解质通常由有机溶剂制成,并且非常易燃。因此,如果锂离子电池损坏(可能发生在事故中),或者在充电时过热,它可能会爆炸起火。使用不易燃的固体电解质可以防止这种情况。固体电解质可以由多种化学物质制成,包括聚合物和陶瓷。但即使是大规模生产的丰田,最初也发现很难让固态电池在很长一段时间内高效工作。

固体电解质本身并不一定能提高电池的性能。但它确实允许对锂离子电池进行重新设计,使其变得更小、更轻,从而将更多的能量装入更小的空间。它还允许工程师扩大他们可以用来生产锂离子电池的材料范围,并对其工作原理进行修改。尽管最初存在问题,但在过去的一年里,日本汽车制造商在研究如何大规模生产固态锂离子电池方面取得了巨大进展。由于在推出电动汽车方面落后,日本企业计划使用这些新型电池来超越竞争对手。

许多占据市场主导地位的中国电池制造商正在研发半固态电池。宁德时代是一家中国公司,生产全球三分之一以上的电动汽车电池。该公司表示,它可能在今年晚些时候开始生产一种半固态电池,称之为“浓缩”电池。该公司声称,这将具有高水平的安全性和巨大的存储容量。

电池的容量可以通过其比能量来衡量,即可以按重量储存的能量。根据宁德时代的说法,其浓缩电池将能够储存高达每公斤500瓦时(wh/kg)的电量。目前市场上可用的具有液体电解质的性能最高的锂离子电池一般最高可达300wh/kg左右。全固态电池可能达到600wh/kg或更高。除了提高电动汽车在道路上的性能外,这种功率和重量的电池还将大大扩大小型垂直起降空中飞机的续航里程,这些出租飞行机即将获得适航认证。

在这些新电池进入汽车并对制造商的说法进行测试之前,还不能确定它们的性能如何。现有电动汽车的广告范围在实际驾驶条件下可能无法实现。第一批半固态电池将于2025-26年出现在汽车上。预计像丰田和其他公司正在开发的第一款全固态版本将于2028年出现。

在很大程度上,大规模生产在降低成本方面的成功程度将取决于未来十年原材料价格的发展。保时捷咨询公司的Fabian Duffner表示:“固态电池将消耗更多的锂。” 与此同时,生产商也将需要额外的锂,因为他们越来越多地将更多的生产从内燃机汽车转向电动汽车。有时被称为“白金”的锂价格一直在过山车上。去年年底,电池级碳酸锂的价格飙升至每吨8万美元,但此后又回落至4万美元左右,仍然是两年前的两倍左右。镍价格也一直不稳定。

循环利用回收材料会有所帮助。大多数运营商已经从消费电子产品中回收电池,并将扩大规模。电池被分离出来后,它们就会被研磨,锂、钴、镍和锰等材料可以被回收和纯化。

无论如何,固态锂离子电池即将问世。它们看起来很有前景,最终可以让电动汽车在续航里程、性能和便利性方面与使用肮脏老式内燃机的汽车竞争。目前,标准锂离子电池约占电动汽车成本的40%。如果固态超级电池也要让电动汽车在价格上竞争,这一成本比例将必须下降。

 

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