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[电池材料] 探寻锂离子电池的未来

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发表于 2015-3-20 11:16:37 | 显示全部楼层 |阅读模式
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图1 梅赛德斯奔驰公司的A级E-Cell电池组开始在Rastatt工厂生产,他们的电动汽车采用锂离子电池

图1 梅赛德斯奔驰公司的A级E-Cell电池组开始在Rastatt工厂生产,他们的电动汽车采用锂离子电池

        图1 梅赛德斯奔驰公司的A级E-Cell电池组开始在Rastatt工厂生产,他们的电动汽车采用锂离子电池

        未来10年将是锂离子电池技术快速发展的10年,研究人员在提高电池能量密度、降低生产成本等方面的潜心努力必将获得果实,当然,挑战仍然存在,我们期望新的材料、新的技术方案不断涌现,突破一个又一个当前我们还认为是极限的“极限”。
        在未来10年中,安全性是电动汽车厂商和供应商们的第一任务,当然,优化锂离子电池的能量密度也是项目的重点。大多数专家同时还认为,锂离子电池技术的近期发展目标将是:除了满足不断变化的市场需求之外,着重降低电池生产成本,提高其耐用性并减轻电池的重量。
        “对于第一代电动汽车,我们还必须继续生产3~5年的时间,因而我们必须稳定地发展该项生产技术,”福特汽车公司储能战略和研究部高级经理Ted Miller先生说,“但它为进一步优化下一代产品抓住了机遇。”“在未来的5年甚至10年的内,锂离子技术仍将以某种形式存在,但其研究不会是孤立的,因为它涉及很多专业领域,密切合作将是下一步开发工作的必经之路。”Axeon技术公司的高级电化学专家Allan Paterson博士说。
        那么,电池发展的未来长期目标将是什么呢?“从现在开始的10年时间内,我们很可能将会看到另一大具有实质性意义的储能器发挥其不同的巨大作用,”通用汽车公司全球电池系统部主任Bill Wallace先生预测说,“但它必将与一个高度发展的锂离子电池解决方案进行竞争。目前尚不清楚谁将成为今后10年的赢家,但我认为我们必将能够看到这一竞争过程中的精彩场面。”
        值得一提的是,通用汽车公司于2009年在美国创建了其新的电池系统实验室——目前全球最大的汽车电池实验室。这一高科技实验中心正在帮助底特律的汽车制造商加速先进电池技术在美国的进一步发展。
       

图2 通用汽车公司的电池系统实验室正在加速先进电池技术在美国的进一步发展,例如他们提供的T形电池组

图2 通用汽车公司的电池系统实验室正在加速先进电池技术在美国的进一步发展,例如他们提供的T形电池组

        图2 通用汽车公司的电池系统实验室正在加速先进电池技术在美国的进一步发展,例如他们提供的T形电池组

        提高电压
        对于电动汽车的电池系统来说,将电池组的电压从3.3~3.8 V提升到4.5 V甚至5 V,这将可能成为电池进入下一个发展阶段的里程碑。
        要想达到高电压,就必须采用高电压的电解质。专家们提到了利于环保的一些化学物质,例如锂硫和金属空气——特别是提到解决电解质问题的时候,但他们更注重实验室工作,继续研究获得阳极较高电压的金属基氧化物和硅基材料,来替代阳极上的石墨。
        还有一些材料也很有潜力。Argonne国家实验室电化学储能部的电化学总工程师Andrew Jansen博士的团队对高电压尖晶石的研究工作还在继续进行之中,这些可用于5 V系统的尖晶石材料构筑在镍和锰的基础之上。
        Miller先生也认同提高电压这个方向,并提出了一些研究课题:“我们需要了解电池的较高电势所产生的结果。如果我们继续使用现在的溶剂和电解质配方,那么其极限究竟是什么?为了保持较高的电压,我们还需要做些什么样的工作?如果较高的电势导致电池的稳定性降低并影响其使用寿命,将会造成什么样的后果?”
        密切合作降低成本
        由于各方面的挑战和压力,大部分的汽车制造商和合作单位比以往任何时候都更加密切地关注开发预算,因此,紧跟新技术的发展步伐并优化生产工艺以降低成本也是一个必须采取的策略。
        通用汽车公司宣布已向Envia系统公司投入了一笔巨大的资金,并得到了Argonne国家实验室的授权,开发一种由层压复合材料结构件制成的富锰阴极。“这是我们所期待的第二代新技术,”Wallace先生说。
       

图3 宝马集团正在努力为BMW i系列电动汽车的上市做好准备

图3 宝马集团正在努力为BMW i系列电动汽车的上市做好准备

        图3 宝马集团正在努力为BMW i系列电动汽车的上市做好准备

        虽然某些研究也许会采用稀有资源来试制化学电池,但研究人员通常会将注意力集中在那些在经济上考虑更加切实可行的材料之上,否则成本根本无法控制。
        另一方面,通过提高生产工艺水平来降低成本是汽车制造商多年来不断优化生产、积累丰富经验的结果。
        “从客户的成本观点来看,生产效益是非常重要的。”Wallace先生继续说。他们已为减少产品的变化和解决废品率问题做出了很大的努力,并为降低整体成本做出了巨大贡献。“我们生产的模块和组件废品率是很低的,但电池的生产水平仍然还有进一步提高的空间,我们会为此而努力。”
        所有的OEM厂商都在寻求提高电池生产水平的方法,特别是低成本和低能耗的生产工艺。“如果超声波焊接切实可行的话,它可能会起到很好的作用,”福特汽车公司的Miller经理说,“但采用相对传统的焊接技术则可以围绕这类大型电池组进一步优化。”
        通用汽车公司也在研究电池组的设计和结构,以使其具备能够执行多项任务和提高效率的可能性。Wallace先生解释了这样一种想法:“电池组中包含很多不同的元件,我们正在设法寻求新的模块化策略,从基本相同的组件中获得多种功能,降低相对成本。”
       

探寻锂离子电池的未来

探寻锂离子电池的未来

        虚拟的世界
        虽然材料的组合和结构还在实验室中继续进行着不断的调整,特别是在学术层面上,但官方机构的人员更加期待从计算机模拟方面寻找更先进的技术,使电池的开发研究进入虚拟世界。
        “我们已建立了电气动态电子结构模型,而且它们可以在您认为是理想状态的那个地方归零,”Jansen先生自豪地说。“尤其是对电解质的工作和试图预测哪些化合物可以在较高的电压下保持稳定而言,这将非常有用。”
        Axeon技术公司的Paterson先生也是一个虚拟世界的追随者,他说:“我们已经掌握并积累了很多有关电池的失效机理和寿命的分析经验。在电池组的研究上,它被广泛地用于设计,特别是应用于CFD的冷却分析研究中。”
        在通用汽车公司,Wallace先生及其团队正在与预测性造型领域中几所高学进行密切的合作。
        “我们正在观察电池失效模式,并不断尝试将数学模型和预测方法应用于电池及管理系统研发之中,同时提高预测水平。”Wallace先生解释说。据了解,在通用汽车公司,合成电池性能的工具正在上线,而且已被证实具有相当高的精度。
        当然,这些先进的工具与材料性能之间可能存在着一个问题,因为材料的性能是很难预测的,必须通过试验才能了解。“这就是秘诀的所在,”Wallace先生补充说。“这是一个有待于进一步提高和成熟的领域,现在仍然是一个属于化学家的领域。”
        计算能力也是福特汽车公司高级经理Miller先生特别感兴趣的问题。他说:“您可以看到汽车碰撞试验之前的CAE模拟分析的作用,但这需要花费一定的时间积累经验数据。对我来说,按照我们预测电池的行为和性能的能力,这是我愿意看到的一个标准。我也愿意用一种分析工具来预测电池的化学反应。这将有助于设计一种合适的控制系统来综合处理可能发生的一切。”
        必须考虑整体效益
        根据Pike研究所的专家们预测,到2017年,混合动力汽车、插入式混合动力汽车和全电动汽车的累积销量将达到1 390万辆,这一数字将几乎达到大众化市场的水平。另外一份来自Lux研究所的预测报告称,电池储能汽车的整体市场将从2011年的130亿美元增加到2016年的300亿美元,不过,由于很多新车的快速涌现,像今天比较显眼的雪佛兰Volt和日产Leaf一类的汽车,似乎不太可能占据绝大部分的市场。
        在这个似乎充满机遇的市场中,应该说,凡是能够支持先进电池的高科技都可能会有很大的发展前途,但实际上,站在经济学的角度,只有当整体利益与成本效益都能够得到很好的体现时,其中某些技术才能脱颖而出。
        “虽然电容器有助于提高电池的使用寿命,但是制造商不想同时处理两种不同的系统。”Jansen先生说,“您必须拥有监控电池和电容器的两套独立的系统,然后将它们连接在一起。如果在一辆混合动力汽车中也这么做的话,那将需要采用发动机控制系统,这必将导致问题的复杂性大增,整体效益难以体现。”
        即使研发继续以一种乐观的速度进行着,但市场的条件则面临着多方面的挑战。正如Lux研究所的分析家Kevin See先生所说:“虽然电动汽车和混合动力汽车的电池价格有所下降,但下降的幅度还远远不够,或下降的速度还不够快,无法达到广泛采用这种燃料所期望的目标。相反,我们看到,储能技术在快速进步,只不过目前大部分被用作电动自行车的动力。对于汽车制造商来说,采用微混合动力能够以一种更加增量和低风险的方式来提高整体效率和效益。”
        “提高燃油成本、增加政府购买的奖励、提高燃油经济标准和提高车辆的实用性,将使电动汽车市场获益匪浅,满足不同变化的需要。”Pike研究所的分析师Dave Hurst先生简要地说。
        “不管怎样,我个人的观点是,我们必须提高车辆的整体效率和效益,”Miller先生总结说。“实现电气化将是达到这一目标的关键,而可靠和廉价的储能则是实现这一目标的关键因素。
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