最新电池技术如何突破电动车“里程焦虑”

美国能源部高级研究计划署（ARPA-e）项目经理刘平表示，电动汽车里程焦虑问题在业内已经得到了广泛讨论，结论是提高电动汽车里程是一件消耗成本的事情。"

刘平和他的同事曾问自己，“有什么方法可以提高电池性能并降低驾驶成本吗？”，他们想到了一种可能的方法，使用适当的电化学工艺来提高电池的性能。

他们决定采用更安全的电池化学工艺——不需要大而重的电池结构来保护电池。因此，在实现“增程”的同时，没有必要增加电动汽车的重量。即使这种电池的能量密度不如锂电池，总的成本效益仍然更大。刘说：“如果电池组的保护不再是我们关心的问题，那么电池组的安装方式和结构将不再受到传统汽车结构的限制。”

澳大利亚审慎监管局致力于降低电动汽车的成本并增加里程。

更安全的电池

与APRA-e在美国开展的其他22个长期研发项目一样，该项目也是该机构范围（稳健、可负担、下一代储能系统）计划的一部分。美国能源部希望轻型电动汽车的电池能够达到单次充电386公里的标准。

有很多方法可以达到这个标准。一些机构开发了不易燃的聚合物电解质，以取代挥发性易燃聚合物电解质和水性电解质。另一种方法是完全放弃使用液体锂离子电池，转而使用固体电解质薄膜陶瓷材料。

刘解释说， “我们决定寻找在化学反应中具有高稳定性、能够承受大量充放电循环的材料，尽管这些材料的性能可能不如锂电池。因为这些材料在汽车结构中的应用意味着电动汽车可以大大减轻重量，从而提供相同甚至相同的性能作为高能量密度电池具有更高的效益。

含水电解质

RANGE项目中研究的三种用于电动汽车电池的化学催化剂之一是水性电解质。这种电解质不会将电极“浸泡”在电解质中，而是使用外部存储，随时准备进行化学反应发电。

从概念上讲，这些可替代的电化学物质与传统理论相悖。人们普遍认为，流体电池的能量密度不足以支撑电动汽车的里程要求，其体积会非常大。刘说：“我们收到了通用电气公司（GE）和劳伦斯伯克利国家实验室的精彩建议，在流体电池中使用不同的化学催化剂，以实现更高的能量密度。”

通用电气和伯克利国家实验室将于明年制造一个原型电池，以验证这一提议。在这种基于水性电解质的方案中，使用了无机材料，在转移过程中可以携带一个以上的电子，并且提高了能量密度。能量被部分氧化的高能有机化学液体提取，从而形成稳定的无氢化合物。特殊的电化学催化剂将直接从电池的正极中提取负载的电子，并且在这个过程中不会产生氢气。离子与负氧分子结合发电，副产物是水。

含水电解质模型示意图

刘还指出了另一种“多电子”水溶液，该溶液目前正由马里兰大学和陆军实验室开发。根据该大学的描述，这种纳米材料电池将采用双离子混合相互作用的模式，将电池电压从1.2伏提高到2.5至3伏，电池容量也将增加一倍。

非水性电解质

RANGE项目的其他研究项目是关于非水电解质（含有挥发性化合物）的研究。项目经理表示，尽管这种电池系统的维护成本很高，但仍可以被其他好处所抵消。

伊利诺伊理工学院与阿贡国家实验室进行了合作。他们开发了一种纳米电解质，其中含有大量纳米粒子，可以在确保稳定性和低流动阻力的同时实现高能量密度……

固态电池

RANGE项目的第三个研究重点是固态电池。固体电解质中的载流子（质子和电子）不如液体电解质中的那些。目前，相关技术尚未被打破。

马里兰大学固体氧化物燃料电池技术教授Eric Wachsman利用他的多层薄膜陶瓷加工技术制造了一种新型高导电性锂离子固体电解质。固体锂离子电解质和高压阴极被集成到一个特殊的纳米结构中。Wachsman教授的最终目标是通过这种方法制造重量轻、寿命长的固态电池。美国能源部高级研究计划署（ARPA-e）项目经理刘平表示，电动汽车里程焦虑问题在业内已经得到了广泛讨论，结论是提高电动汽车里程是一件消耗成本的事情。"

刘平和他的同事曾问自己，“有什么方法可以提高电池性能并降低驾驶成本吗？”，他们想到了一种可能的方法，使用适当的电化学工艺来提高电池的性能。

他们决定采用更安全的电池化学工艺——不需要大而重的电池结构来保护电池。因此，在实现“增程”的同时，没有必要增加电动汽车的重量。即使这种电池的能量密度不如锂电池，总的成本效益仍然更大。刘说：“如果电池组的保护不再是我们关心的问题，那么电池组的安装方式和结构将不再受到传统汽车结构的限制。”

澳大利亚审慎监管局致力于降低电动汽车的成本并增加里程。

更安全的电池

与APRA-e在美国开展的其他22个长期研发项目一样，该项目也是该机构范围（稳健、可负担、下一代储能系统）计划的一部分。美国能源部希望轻型电动汽车的电池能够达到单次充电386公里的标准。

有很多方法可以达到这个标准。一些机构开发了不易燃的聚合物电解质，以取代挥发性易燃聚合物电解质和水性电解质。另一种方法是完全放弃使用液体锂离子电池，转而使用固体电解质薄膜陶瓷材料。

刘解释说， “我们决定寻找在化学反应中具有高稳定性、能够承受大量充放电循环的材料，尽管这些材料的性能可能不如锂电池。因为这些材料在汽车结构中的应用意味着电动汽车可以大大减轻重量，从而提供相同甚至相同的性能作为高能量密度电池具有更高的效益。

含水电解质

RANGE项目中研究的三种用于电动汽车电池的化学催化剂之一是水性电解质。这种电解质不会将电极“浸泡”在电解质中，而是使用外部存储，随时准备进行化学反应发电。

从概念上讲，这些可替代的电化学物质与传统理论相悖。人们普遍认为，流体电池的能量密度不足以支撑电动汽车的里程要求，其体积会非常大。刘说：“我们收到了通用电气公司（GE）和劳伦斯伯克利国家实验室的精彩建议，在流体电池中使用不同的化学催化剂，以实现更高的能量密度。”

通用电气和伯克利国家实验室将于明年制造一个原型电池，以验证这一提议。在这种基于水性电解质的方案中，使用了无机材料，在转移过程中可以携带一个以上的电子，并且提高了能量密度。能量被部分氧化的高能有机化学液体提取，从而形成稳定的无氢化合物。特殊的电化学催化剂将直接从电池的正极中提取负载的电子，并且在这个过程中不会产生氢气。离子与负氧分子结合发电，副产物是水。

含水电解质模型示意图

刘还指出了另一种“多电子”水溶液，该溶液目前正由马里兰大学和陆军实验室开发。根据该大学的描述，这种纳米材料电池将采用mo……

双离子混合相互作用，将电池电压从1.2伏增加到2.5至3伏，电池容量也将增加一倍。

非水性电解质

RANGE项目的其他研究项目是关于非水电解质（含有挥发性化合物）的研究。项目经理表示，尽管这种电池系统的维护成本很高，但仍可以被其他好处所抵消。

伊利诺伊理工学院与阿贡国家实验室进行了合作。他们开发了一种纳米电解质，其中含有大量的纳米粒子，可以在确保稳定性和低流动阻力的同时实现高能量密度。

固态电池

RANGE项目的第三个研究重点是固态电池。固体电解质中的载流子（质子和电子）不如液体电解质中的那些。目前，相关技术尚未被打破。

马里兰大学固体氧化物燃料电池技术教授Eric Wachsman利用他的多层薄膜陶瓷加工技术制造了一种新型高导电性锂离子固体电解质。固体锂离子电解质和高压阴极被集成到一个特殊的纳米结构中。Wachsman教授的最终目标是通过这种方法制造重量轻、寿命长的固态电池。

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