电动汽车电池路在何方？

研究背景

自锂离子电池商业化以来，在提高能量密度，降低成本和改善电池性能方面取得了巨大进步。电池技术的进步推动了电动汽车的发展。由于电动汽车可帮助消除汽车排放并减少对石油的依赖，因此几乎所有汽车制造商都已开始生产电动汽车，并且多个国家/城市已宣布计划在未来10至30年内禁止内燃机（ICE）汽车。近年来，全球电动汽车销售迅速上升，2018年首次超过200万辆。尽管如此，电动汽车采用率的上升部分受到政府政策和法规的推动，并且电动汽车市场份额仍然很小（约2％）。为了与ICE车辆竞争，电动汽车仍然要克服一些障碍，尤其是在电池技术方面。

成果简介

目前开发新型锂电、钠电等先进储能器件是非常热门的研究方向，但最终都要落实到产业转化，因此有必要了解目前电动汽车电池产业市场面对的重要问题及挑战。基于此，在市场一线的福特汽车公司电气化分系统和电源部（DepartmentofElectrificationSubsystemsandPowerSupply）的工程师JieDeng以第一兼通讯作者在Joule发表题为“ElectricVehiclesBatteries:RequirementsandChallenges”的评述文章，为科研人员指明科研攻关方向。

图1电动汽车电池的要求和挑战

文章解读

1.能量密度。续航里程是客户有关电动汽车的重要关注问题之一，重要取决于电池的能量密度（每单位体积或重量的能量存储量）。锂离子电池具有目前电池技术中最高的能量密度之一（250~693Wh/L和100~265Wh/kg），但仍远低于汽油。因此，要大量的电池才能达到200~300英里的行驶距离。当锂离子电池的能量密度接近饱和极限时，要开发超越锂电的下一代电池（能量密度>750Wh/L和>350Wh/kg），以更加有效地进一步扩大行驶里程。

发展方向：电池组新增的硬件进一步降低了整体包装级的能量密度，因此改善电池设计和电池组效率有关提高车载电池的能量密度至关重要。

2.成本。电动汽车的优点之一是其运行成本相有关内燃机车辆更低。尽管如此，其较高的前期购买价格仍然是广泛采用电动汽车的重要障碍。由于电池成本决定了电动汽车的价格，因此要降低其价格，以使电动汽车更加实惠。自从首次大规模生产电动汽车以来，电池成本已急剧下降（目前每包约为200美元/千瓦时）。但是，要想具有与内燃机车辆相当的成本，通常认为电池组和电池的成本应分别低于125$/kWh和100$/kWh。

发展方向：降低要一个能够内联控制材料，工艺设置和电池质量的智能产品线，以提高电池性能并降低制造成本。

3.快速充电。当前大多数电动汽车要数小时才能充满电。例如，在隔夜充电或在工作期间充电时，此方法效果很好，但在长距离行驶且要频繁充电的情况下，这样做会带来不便。近来，电动汽车已经改善了充电能力，这大大减少了充电时间。但是，为了达到在10~15分钟内将EV充电至80％的目标，要付出更多的努力。快速充电的重要障碍是电池化学和材料特性。未来的电动汽车要优化充电算法，以实现快速充电而不影响电池寿命和安全性。

发展方向：预热电池以改善电极动力学，并采用更高电压的系统来降低电流水平。未来的电动汽车要优化充电算法，以实现快速充电而不影响电池寿命和安全性。

4.使用寿命。为了最大程度地提高电池性能，电动汽车中的电池必须受到充分的约束，以便不仅将其压缩在模块中以减少膨胀，还可以通过热界面材料紧密地连接至冷却板，以提高冷却效率。从电池组中更换电池通常要重新组装整个模块并更换损坏的冷却板，这可能很昂贵。因此，电动汽车电池通常无法维修，并且其使用寿命应与车辆的使用寿命相同。根据美国高级电池协会的数据，电动汽车电池的目标寿命为15年（电池寿命通常是指电池容量下降到其原始容量的80％的时间）。

发展方向：充分了解电池材料降解机理，适当选择材料以及管理工作条件有助于延长电池寿命；同时做好电池回收及重复使用。

5.环境适应性。由于电池是涉及离子和电子的反应和传输的电化学系统，因此其性能（例如充电/放电速率或降解机理）会受到环境（尤其是温度）的影响。例如，高温允许相对较高的充电速率，但会新增SEI的生长速率，从而缩短电池寿命。另一方面，低温会减慢SEI的上升，但会刺激镀锂。这样，电池可以针对高温或低温进行优化，但是很难在各种温度下保持相同的性能。

发展方向：使用有效的热管理系统，将电池温度保持在一定范围内，在要时有效地冷却或加热电池。优化热管理设计，尤其是有关能量密度和快速充电能力不断提高的电池。

6.安全性。安全性是电动汽车电池设计的最关键因素之一，因为电池故障可能会导致灾难性后果。由于安全性的重要性，许多国家/地区都有有关电动汽车和/或电池的法规，因此在进入市场之前，它们必须通过一系列测试（冲击，热，振动等）。电池故障可能是由于外部滥用（例如，碰撞，穿透，过度充电/放电，热斜坡）或内部机制（例如，锂枝晶生长）引起的。这些事件可能会触发电极上的短路或氧化还原反应，从而出现热量并激活放热反应，最终导致热失控。

发展方向：开发新型电池材料（难点：大多数目前会影响电池性能，因此应考虑取舍。例如，水性电解质是不可燃的，但是具有狭窄的电化学稳定性窗口，而固态电池具有较高的机械刚度，但是具有较高的界面阻抗和较差的循环稳定性）；需配备一个或多个安全功能，包括保险丝，通风孔，电流中断装置以及用于监视电池电压和温度的电池管理系统；建立有效的计算模型（难点：在一个模型中耦合多个物理过程；准确地测量和建模复杂的材料特性；将仿真从组件级别扩展到包装级别），更经济地预测不同条件下的电池故障，这在系统电池设计中变得至关重要。

图2从电池组到各个组件的尺度变化

总结

在不久的将来，单一电池技术在所有六个方面都将超越其他电池将是非常具有挑战性的。要权衡取舍，以平衡电池性能，寿命，成本和安全性。由于电动汽车中的电池不能单独工作，因此要准确而有效的系统级分析来优化涉及机械，热和电气组件的电池系统。计算机仿真可以在加速系统电池设计中发挥重要用途。特别是，原子尺度的仿真可以帮助选择关键的电池材料，而持续尺度的仿真和机器学习可以帮助减少设计周期并优化系统设计。

为了大幅新增电动汽车市场份额，仅电池技术的进步还不够。收费基础设施和政府法规等其他因素也至关重要。充电站的良好覆盖范围和能力将进一步减轻客户的担忧，适当的政府政策可以为电动汽车市场的上升创造健康的环境。预计汽车制造商，电池供应商，电力供应商和政府的共同努力将有助于刺激客户的需求并加速电动汽车的采用。

文献信息

ElectricVehiclesBatteries:RequirementsandChallenges,Joule,2020.doi:10.1016/j.joule.2020.01.013,https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.01.013.