前兩天給大家分享了一下純電動之外的新能源,看來看去大家一直認為:還不如電動車靠譜。平心而論,電動車是一種天然高效的載具,但為什麼大家依舊排斥?
無外乎是電動車還較低的補能效率,不穩定的續航裡程,動不動起火的安全性 …… 在其他部分已經十分成熟的今日,解決這些問題的關鍵都在于電池。
而前幾日,有家公司宣布的一條消息,帶來了汽車電池的突破。有了這項技術,電動最大的短闆就要補齊了。
神奇電池
帶來電池突破的公司,名為量子景觀(QuantumScape)。他們在前幾日宣布:已經将首批 24 層原型固态電池交付汽車廠商。
量子景觀很謙虛的聲稱這些電池僅僅是一個較為初期階段,帶有實驗性質的産品。在未來還将有幾次重要的叠代,才能正式進入到實用階段。但此前更初期的産品,已經帶給了我們一些格外驚人的參數。
根據外媒此前的介紹,量子景觀初期的産品已經有對比特斯拉 4680 電池革命性的優勢。比如特斯拉 75kw 電池組,重約 480kg,需要大約 105 升空間;同等容量的量子景觀電池,僅有 150kg,需 75 升空間。
不僅僅能量密度更大,量子景觀的固态電池充電速率也是特斯拉 4680 電池的兩倍多,還有着非常長的使用壽命。特斯拉宣稱它們的電池可以在 20 萬英裡後,僅有 10% 的衰減。量子景觀的電池則可以做到在行駛 30 萬英裡後,将衰減控制到 10% 以内。
為什麼量子景觀的電池可以有如此巨大的提升?
神奇的固态電池
量子景觀的電池,是目前進展較快的固态電池,而固态電池一直被視作是電動汽車的未來。
什麼是固态電池
汽車的動力電池,已經經曆了三個階段:鉛酸電池、氫鎳電池,直到現在廣泛應用的锂電池。準确地說,我們目前應用廣泛的锂電池,是液态锂電池,這裡的液态是電池中電解質的形态。電解質是锂離子傳輸的重要媒介,對電池性能至關重要。
固态電池,主要指的是固态锂離子電池。其中的電解質,采用固體的形态存在。主要有三種形式:無機固态電解質,主要是各類氧化物、硫化物電解質;聚合物形态電解質,将锂鹽包埋入聚合物基體;有機 - 無機複合固态電解質。
當然還有更為前沿的固态锂離子金屬電池,比較超綱,大家可以自行了解下。受制于技術、工程等原因,目前還不能做到百分百使用固态電解質的電池,固态電池還需要百分之十左右的液态電解質。
固态電池,有什麼好處?單單改變電解質就能帶來性能的提升嗎?
固态電池為什麼好
固态電池有着非常誇張的能量密度。達到理想情況下,同等體積的固态電池儲存的能力,将是現在液态锂電池的五倍之多。按照如今至少 500km 續航算,全面換裝固态電池,續航突破 2000km 徹底解決續航焦慮輕而易舉。
固态電池也有着非常好的安全性。目前的液态電池大電壓工作時可能出現锂枝晶,一旦刺破隔膜,就有可能導緻電池短路;液态電解質是有機液體,易燃燒,在高溫下,還有可能産生更易燃的氣體。固态電解質則有效避免這兩大問題,提升整體的安全性。
固态電池的高安全性,高穩定性,自然支持更高的充電速度。充電速度的提升,也可以讓電池補能的效率實現質的飛躍。同等電量,時間縮減到現在的幾分之一,充電銷量就接近加油了。
還有各種優勢帶來的綜合結果,比如電池的重量、體積縮小了,帶給電動車更大的空間,也帶來更低的能耗。可以說,如果固态電池實現突破,電動車也将随之迎來一次大幅度的進步。
固态電池離我們有多遠
目前,固态電池是一個非常火的研究方向。除了量子景觀外,國外還有 StoreDot、SolidPower、三星 SDI 等企業都在研究固态電池。國内電池甯德時代,也在研究固态電池。
但固态電池仍然面臨着不少技術的瓶頸,目前的電解質材料大部分還處于理論階段,還需要更加細緻的研究。将電解質從液态轉變為固态,對于電池其他部分的設計,也提出了新的挑戰。
目前來看量子景觀仍然是進度最快的那一個,在今年先後叠代了幾代固态電池産品,如今更是實現了向車企交付的裡程碑。但即便是按照量子景觀自己的樂觀估計,也需要到 2024 年才能實現量産。而甯德時代更是預測,要到 2030 年固态電池才能真的成熟。
而且,現階段固态電池的成本仍舊不菲。目前量子景觀的主要合作夥伴是大衆,但大衆 ID. 系列可能難以承受固态電池的高成本。在未來幾年,我們或許會率先看到搭載固态電池的保時捷、賓利甚至蘭博基尼。
未來的其他選擇
除了最熱門的固态锂電池外,還有一些正在研究中的電池技術,我們也簡單了解下。
鈉離子電池
固态锂離子電池解決了傳統锂電池的安全性問題,但锂電池仍需耗費大量的稀有金屬。最近兩年碳酸锂的價格,就因為電動車的海量需求而暴漲。因而,用鈉離子代替锂離子的鈉離子電池,就成了降低電池成本的一條可行途徑。
鈉離子電池其實不是什麼新技術,差不多和锂離子電池同時出現。鈉離子電池經過多年的發展,也已經接近磷酸鐵锂電池的能量密度。在安全性上鈉離子電池也有優勢,工作更穩定。成本更是鈉離子電池的天然優勢,綜合成本将被锂離子電池降低百分之 40%。
但鈉離子電池如今隻有甯德時代等少數企業推進,其主要劣勢在于能量密度難以進一步提升,不利于應用于數碼産品、電動汽車等對能量密度要求高的領域。目前的研究,也多是用于低速交通工具、儲能設施中。
金屬空氣電池
将金屬空氣電池用于汽車,也是近幾年來研究的一個方向。金屬空氣電池是以金屬為燃料,與空氣中的氧氣發生氧化還原反應生電能的一種特殊燃料電池。金屬空氣電池的負極為金屬,主要以電極電位較負的金屬如鎂、鋁、鋅、汞、鐵等作負 極材料。
金屬空氣電池其實已經在生活中有所應用,比如助聽器等就用到了鋅空氣電池。此前也有團隊,研究在汽車上應用鋅空氣電池和鋁空氣電池。金屬空氣電池能量密度高,美鋁加拿大公司和以色列公司 Phinergy 的100kg 重的鋁 - 空氣電池能讓車輛行駛 3000 公裡的電量。
但金屬空氣電池有個尴尬的性質:成熟的鋅空氣電池是一次性的,沒法充電。目前主要研究的方向,在于制造出可以充電且保留空氣電池高效特性,材料也便宜易取得的新一代金屬空氣電池。
石墨烯電池
石墨烯也是這兩年科技新聞中的熱門詞彙,石墨烯是目前世界上已知最薄的材料,也是目前最堅硬、導熱系數最高的材料,還是世界上電阻系數最低的材料,是一種理想的電池材料。
真正的石墨烯電池,理論容積可以達到锂電池的兩倍以上。石墨烯本質還是碳,在地球上自然原料取之不盡,用之不竭。但石墨烯的制備還沒有實現大規模、工業化的生産,因而真正的石墨烯電池還未能面世。
現在有不少打着石墨烯電池旗号的産品,本質上是利用石墨烯改善锂電池性能。國内傳祺和華為都有相關産品,主體還是傳統锂電池,但利用部分石墨烯改善了電池的電極性能。
寫在最後
其實任何科學技術的應用,都離不開木闆理論。往往決定一項産品競争力的就是最短闆,對于電動車來說,電池一直都是制約電動車進一步進步的瓶頸。如今我們對于電動車的擔憂,也基本都是圍繞于電池。
相比于研究各類更新的能源,電池的更新叠代有一個天然的優勢。無論電池怎麼變,對應的基礎設施都是充電,無需像氫能源、生物燃料那樣另起爐竈。
當電池有了突飛猛進的進步後,你會接受電車嗎?
本文來自微信公衆号 " 汽車洋蔥圈 "(ID:onion-automobile),作者:Mogo