锂离子电池技术发展及对电动汽车的助力 挑战在于电池材料及工艺

据外媒报道，新一代的电动汽车自10年前起开始出现在路面上。美国佐治亚理工学院的研究人员耗费了一年时间，追踪了近500名美国驾驶员的驾驶习惯，旨在确认电动汽车是否适合这类人群使用。

研究人员发现，近三分之一的受访者表示，他（她）们可以用续航里程为100英里（约合160公里）的电动汽车完成其绝大部分出行活动。只有6％的情况所涉及的出行距离较远，可能要用户将电量充满后再出行，或租用一辆汽油车。

如今，电动汽车的发展情况更好了。许多电动汽车续航里程数已远不止200英里（约合320公里），某些大尺寸、高端车型的续航里程数甚至能达到近400公里。毕竟，仍有许多潜在的购车用户担心车辆在半途中电量耗尽。长续航版电池可缓解用户的“电动汽车里程数焦虑”，但“还有很多坑要填”。

许多电动汽车所搭载的电池都是锂离子电池，该款产品是索尼公司于1991年实现商业化的电池设计，该类电池的特别之处在于其蓄能容量较高。目前，电动汽车车载电池的能量密度通常为200wh／kg，当代锂离子电池可将200watt－hour的电势注入到1千克的电池套件（kit）中。该数据是旧款铅酸电池的5倍，研究人员们正在持续研究改进，旨在提升锂离子电池性能。

锂离子电池的名字取自其内部的锂离子。但这类电池放电时，阳极会出现锂离子。然后，该锂离子将通过电池隔板（只有锂离子能通过）至电解液中，然后再扩散至阴极。阳极的电子将消失，沿着外部电路进入阴极。在该过程中出现的电流将被用于驱动电机。而在阴极位置，离子和电子重新结合。该情况将持续至用户通过充电线缆将车辆与充电设备连通时，整个流程将逆转。

关于车辆这类重量敏感型应用而言，锂金属是化学元素周期表中最轻的一款金属，但该金属的（化学）反应性也较高。电芯的构建要非常谨慎，防止瑕疵，否则将可能引发电池短路乃至于电池起火事故。阳极通常由富碳材料（carbon－richmaterial）组成，阴极内的锂金属通常容易被部分氧化，从而生成锂钴氧化物（lithiumcobaltoxide）。

而钴金属是最为昂贵的一款电池材料，电池制造商们都试图减少该材料的使用量。许多钴矿都位于刚果民主共和国，而采矿条件非常恶劣，甚至有使用童工的情况出现。业内的主流思路是减少电钴金属在锂离子电池内的使用量，同时调升镍和锰的用量，以便生产NMC电池（三元锂离子电池）。

去年，我国最大的电池制造商——宁德时代开始量产NMC电池，其能量密度达到240wh／kg。而特斯拉等其他公司则希望进一步削减甚至摆脱对钴金属的依赖，但特斯拉却对其电池计划的明细内容守口如瓶。

为降低电池材料的成本，随着宁德时代、特斯拉及其他对手的产量提升，这类电池的价格将稳步下降。据彭博新能源财经透露，2012年锂离子电池的平均售价为1160美元／千瓦时（约合8204．68元／千瓦时）。到2024年，其售价将低于100美元／千瓦时（约合707．3元／千瓦时）（见图表）。届时，与内燃机车相比较，电动汽车的竞争优势将更大。

为提升电动汽车的续航里程数，许多业内人士将其希望放在固态电池上，而非液态电池上。锂离子可通过某类固态电解质的“隧道”（tunnelthrough）。这类电池的安全性更高，也有望使用其他电解质材料，从而获得更高的能量密度。在各类最新的固态电池方法中，三星在韩国和日本的实验室提出了一款设计，牵头人为DongminIm。该设计采用了一款NMC阴极、银、碳复合物组成的阳极及一款基于硫银锗矿基材的固态电解质，硫银锗矿重要由银、锗和硫三类材料组成。

据该团队于今年三月公布的论文显示，这类电池的能量密度为900wh／l，这意味着相较于传统锂离子电池，在既定（同等）体积下，新电池的容量已实现翻番。该研究小组预计，该类电池的能量密度为430wh／kg，从而将电动汽车的续航里程数提升至800公里。基于硫银锗矿基材的电池不会出现名为锂晶枝的针状结晶物，该类物质通常在锂离子电池充电时生成。

该团队表示，相较于当前的电池，该款固态锂离子电池更具备成本效益。不幸的是，研究人员表示，目前尚难以确定何时才能该款电池，也不确定应如何量产该款电池，这是电池类设备的通病。德克萨斯大学奥斯汀分校的电池专家ArumugamManthiram指出，固态电池研发过程中的两大难题。

首先，固态（电极与电解质）面对面放置，将仅限制在电解质和电极间通过的接触点。相较之下，液态与固态间（电极与电解液）的接触点是持续的。有一种方式可以克服该难题，即采用一款聚合物电解质（polymerelectrolyte），但材料的柔性需足够高，确保其表面能与固态电极。Manthiram博士评论道：“唉，我们尚未找到良好的聚合物材料。”

第二个问题在于制造。许多固态电解质是陶瓷材质的，非常容易碎，这导致在大批量生产时存在难题，但聚合物就能防止这类难题。然而，仍不得不面对前一个问题——聚合物的选材。

此外，这类锂离子电池技术领域内的新理念已经足够成熟，之前的既得利益者们将被迫出局。从液态电解质向固态电解质发展，这意味着要建立一家造价高昂的新厂。此外，研发更优质的液态电解质、采用可匹配的新款电极可能是朝着安全性更高、电量更大锂离子电池的最可靠的技术路线。