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最新电池技术如何突破电动车“里程焦虑”

放大字体  缩小字体 发布日期:2013-12-16  来源:ICCSINO  作者:鑫椤资讯
    “对于电动车里程焦虑的问题已经广泛被业内讨论,目前得出的结论是,提升电动车里程是一件耗费成本的事”美国能源部先进研究计划署(ARPA-e)项目经理Ping Liu说:“如今的电动车电池过于昂贵,并且容量太小,重量太大。”

    Ping Liu以及他的同事曾这样问自己“有什么方法可以既提升电池性能又减少驾驶成本呢?”,他们想到了一个或许可行的方法——利用合适的电化学过程提升电池性能。

    他们决定采用一种更安全的电池化学过程——无需大体积、大重量的电池组结构保护电池单元。从而在实现“增程”的同时无需增加电动车重量,即使这类电池的能量密度不如锂电池,其总成本收益还是更大。Liu表示:“如果电池组的保护工作不再是我们所担心的问题,那么电池组的安装方式和结构也将不再受传统汽车结构限制。”



APRA-e致力于降低电动车成本同时提升行驶里程

更安全的电池

    如同美国APRA-E正在进行的22项其它长期研发项目一样,该项目也是该机构RANGE(Robust, Affordable, Next-Generation Energy storage systems))计划中的一部分。美国能源部希望轻型电动车的电池能够达到单次充电行驶386公里的标准。

    达到这一标准的方法有许多。一些机构研利用不易燃聚合物电解质取代挥发性易燃聚合物电解质与水性电解质。还有一种方法就是完全放弃液态锂离子电池的使用,转而使用固体电解质薄膜陶瓷材料。

    Liu解释道:“我们决定寻找具有高稳定性的化学反应方式以及能够承受大量充放电循环的材料,即便那些材料的性能未必有锂电池那么强。”因为将这些材料应用于汽车结构中意味着电动车能够大幅减重,从而提供与高能量密度电池相同甚至更高的收益。

水性电解质

    RANGE计划中研究的电动车电池的三种化学催化剂之一就是水性电解液。这类电解液并不采用电极“浸泡”在电解液里的方式,而是采用外部存储,时刻准备着发生化学反应产生电能。

    “概念上来说,这些可替代电化学物质与传统理论相悖,一般认为流体电池的能量密度不足以支持电动车的行驶里程要求,并且其体积会非常大。”Liu表示:“我们从通用电气公司(GE)和劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)收到了奇妙的提议,在流体电池中采用不同的化学催化剂,实现更高的能量密度。”

    通用电气与伯克利国家实验室将在明年制造一款原型电池以验证这项提议。这项基于水性电解质的方案中采用无机材料,传递过程中可携带不止一个电子,能量密度有所提升。能量被经过部分氧化的高能有机化学液提取,从而形成稳定、不含氢的化合物。特殊的电化学催化剂将直接从电池正极提取载荷电子,在此过程中不产生氢气。离子与负极氧气分子结合产生电能,附带产物是水。


水性电解质模式示意图

    Liu还指出了另一种“多电子”水溶液,目前该项目由美国马里兰大学和陆军实验室负责研发。根据该大学描述,这款采用纳米材料的电池将采用双离子混合交互的模式将电池电压从1.2伏提升到2.5至3伏,此外电池容量也扩大了1倍。

无水性电解质

    RANGE计划的另一些研究项目是关于无水性电解质(含有挥发性化合物)的研究。项目经理表示,虽然此类电池系统的维护成本偏高,但依旧可以从其他方面的收益进行抵消。

    伊利诺理工大学(Illinois Institute of Technology)与阿贡国家实验室就此进行合作。他们研发出一种纳米电解质,其中含有大量纳米颗粒,可以实现高能量密度的同时保证稳定性和低阻流。

固态电池

    RANGE计划的第三类研究重点就是固态电池。固态电解质中载荷子(质子和电子)不像液态电解质中通过性那么好。目前相关的技术仍未得到突破。

    马里兰大学固态氧化物燃料电池技术教授Eric Wachsman将其开发的多层薄膜陶瓷加工技术(multilayer thin-film ceramic processing)用于制造一个具有高导电率的全新锂离子固态电解质。固体锂离子电解液和高压负极集成于一个特制的纳米架构中。Wachsman教授的最终目的是希望通过这项方法制造出重量轻、寿命长的固态电池。 
 
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