研究背景
自鋰電池商業(yè)化以來，在提高能量密度，降低成本和改善電池性能方面取得了巨大進步。電池技術(shù)的進步推動了電動汽車的發(fā)展。由于電動汽車可幫助消除汽車排放并減少對石油的依賴，因此幾乎所有汽車制造商都已開始生產(chǎn)電動汽車，并且多個國家/城市已宣布計劃在未來10至30年內(nèi)禁止內(nèi)燃機（ICE）汽車。近年來，全球電動汽車銷售迅速增長，2018年首次超過200萬輛。盡管如此，電動汽車采用率的增長部分受到政府政策和法規(guī)的推動，并且電動汽車市場份額仍然很?。s2％）。為了與ICE車輛競爭，電動汽車仍然需要克服一些障礙，尤其是在電池技術(shù)方面。
成果簡介
目前開發(fā)新型鋰電、鈉電等先進儲能器件是非常熱門的研究方向，但最終都要落實到產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，因此有必要了解目前電動汽車電池產(chǎn)業(yè)市場面臨的主要問題及挑戰(zhàn)?；诖?，在市場一線的福特汽車公司電氣化分系統(tǒng)和電源部（Department of Electrification Subsystems and Power Supply）的工程師Jie Deng以第一兼通訊作者在Joule發(fā)表題為“Electric Vehicles Batteries: Requirements and Challenges”的評述文章，為科研人員指明科研攻關(guān)方向。
圖1 電動汽車電池的要求和挑戰(zhàn)
文章解讀
1. 能量密度。續(xù)航里程是客戶關(guān)于電動汽車的主要關(guān)注問題之一，主要取決于電池的能量密度（每單位體積或重量的能量存儲量）。鋰電池具有目前電池技術(shù)中最高的能量密度之一（250~693 Wh/L和100~265 Wh/kg），但仍遠(yuǎn)低于汽油。因此，需要大量的電池才能達到200~300英里的行駛距離。當(dāng)鋰電池的能量密度接近飽和極限時，需要開發(fā)超越鋰電的下一代電池（能量密度> 750 Wh/L和> 350 Wh/kg），以更有效地進一步擴大行駛里程。
發(fā)展方向：電池組增加的硬件進一步降低了整體包裝級的能量密度，因此改善電池設(shè)計和電池組效率對于提高車載電池的能量密度至關(guān)重要。
2. 成本。電動汽車的優(yōu)點之一是其運行成本相對于內(nèi)燃機車輛更低。盡管如此，其較高的前期購買價格仍然是廣泛采用電動汽車的主要障礙。由于電池成本決定了電動汽車的價格，因此需要降低其價格，以使電動汽車更加實惠。自從首次大規(guī)模生產(chǎn)電動汽車以來，電池成本已急劇下降（目前每包約為200美元/千瓦時）。但是，要想具有與內(nèi)燃機車輛相當(dāng)?shù)某杀荆ǔＵJ(rèn)為電池組和電池的成本應(yīng)分別低于125 $/kWh和100 $/kWh。
發(fā)展方向：降低需要一個能夠內(nèi)聯(lián)控制材料，工藝設(shè)置和電池質(zhì)量的智能產(chǎn)品線，以提高電池性能并降低制造成本。
3. 快速充電。當(dāng)前大多數(shù)電動汽車需要數(shù)小時才能充滿電。例如，在隔夜充電或在工作期間充電時，此方法效果很好，但在長距離行駛且需要頻繁充電的情況下，這樣做會帶來不便。近來，電動汽車已經(jīng)改善了充電能力，這大大減少了充電時間。但是，為了達到在10~15分鐘內(nèi)將EV充電至80％的目標(biāo)，需要付出更多的努力?？焖俪潆姷闹饕系K是電池化學(xué)和材料特性。未來的電動汽車需要優(yōu)化充電算法，以實現(xiàn)快速充電而不影響電池壽命和安全性。
發(fā)展方向：預(yù)熱電池以改善電極動力學(xué)，并采用更高電壓的系統(tǒng)來降低電流水平。未來的電動汽車需要優(yōu)化充電算法，以實現(xiàn)快速充電而不影響電池壽命和安全性。
4. 使用壽命。為了最大程度地提高電池性能，電動汽車中的電池必須受到充分的約束，以便不僅將其壓縮在模塊中以減少膨脹，還可以通過熱界面材料緊密地連接至冷卻板，以提高冷卻效率。從電池組中更換電池通常需要重新組裝整個模塊并更換損壞的冷卻板，這可能很昂貴。因此，電動汽車電池通常無法維修，并且其使用壽命應(yīng)與車輛的使用壽命相同。根據(jù)美國高級電池協(xié)會的數(shù)據(jù)，電動汽車電池的目標(biāo)壽命為15年（電池壽命通常是指電池容量下降到其原始容量的80％的時間）。
發(fā)展方向：充分了解電池材料降解機理，適當(dāng)選擇材料以及管理工作條件有助于延長電池壽命；同時做好電池回收及重復(fù)使用。
5. 環(huán)境適應(yīng)性。由于電池是涉及離子和電子的反應(yīng)和傳輸?shù)碾娀瘜W(xué)系統(tǒng)，因此其性能（例如充電/放電速率或降解機理）會受到環(huán)境（尤其是溫度）的影響。例如，高溫允許相對較高的充電速率，但會增加SEI的生長速率，從而縮短電池壽命。另一方面，低溫會減慢SEI的增長，但會刺激鍍鋰。這樣，電池可以針對高溫或低溫進行優(yōu)化，但是很難在各種溫度下保持相同的性能。
發(fā)展方向：使用有效的熱管理系統(tǒng)，將電池溫度保持在一定范圍內(nèi)，在需要時有效地冷卻或加熱電池。優(yōu)化熱管理設(shè)計，尤其是對于能量密度和快速充電能力不斷提高的電池。
6.安全性。安全性是電動汽車電池設(shè)計的最關(guān)鍵因素之一，因為電池故障可能會導(dǎo)致災(zāi)難性后果。由于安全性的重要性，許多國家/地區(qū)都有有關(guān)電動汽車和/或電池的法規(guī)，因此在進入市場之前，它們必須通過一系列測試（沖擊，熱，振動等）。電池故障可能是由于外部濫用（例如，碰撞，穿透，過度充電/放電，熱斜坡）或內(nèi)部機制（例如，鋰枝晶生長）引起的。這些事件可能會觸發(fā)電極上的短路或氧化還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生熱量并激活放熱反應(yīng)，最終導(dǎo)致熱失控。
發(fā)展方向：開發(fā)新型電池材料（難點：大多數(shù)目前會影響電池性能，因此應(yīng)考慮取舍。例如，水性電解質(zhì)是不可燃的，但是具有狹窄的電化學(xué)穩(wěn)定性窗口，而固態(tài)電池具有較高的機械剛度，但是具有較高的界面阻抗和較差的循環(huán)穩(wěn)定性）；需配備一個或多個安全功能，包括保險絲，通風(fēng)孔，電流中斷裝置以及用于監(jiān)視電池電壓和溫度的電池管理系統(tǒng)；建立有效的計算模型（難點：在一個模型中耦合多個物理過程；準(zhǔn)確地測量和建模復(fù)雜的材料特性；將仿真從組件級別擴展到包裝級別），更經(jīng)濟地預(yù)測不同條件下的電池故障，這在系統(tǒng)電池設(shè)計中變得至關(guān)重要。
圖2 從電池組到各個組件的尺度變化
總結(jié)
在不久的將來，單一電池技術(shù)在所有六個方面都將超越其他電池將是非常具有挑戰(zhàn)性的。需要權(quán)衡取舍，以平衡電池性能，壽命，成本和安全性。由于電動汽車中的電池不能單獨工作，因此需要準(zhǔn)確而有效的系統(tǒng)級分析來優(yōu)化涉及機械，熱和電氣組件的電池系統(tǒng)。計算機仿真可以在加速系統(tǒng)電池設(shè)計中發(fā)揮重要作用。特別是，原子尺度的仿真可以幫助選擇關(guān)鍵的電池材料，而連續(xù)尺度的仿真和機器學(xué)習(xí)可以幫助減少設(shè)計周期并優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計。
為了大幅增加電動汽車市場份額，僅電池技術(shù)的進步還不夠。收費基礎(chǔ)設(shè)施和政府法規(guī)等其他因素也至關(guān)重要。充電站的良好覆蓋范圍和能力將進一步減輕客戶的擔(dān)憂，適當(dāng)?shù)恼呖梢詾殡妱悠囀袌龅脑鲩L創(chuàng)造健康的環(huán)境。預(yù)計汽車制造商，電池供應(yīng)商，電力提供商和政府的共同努力將有助于刺激客戶的需求并加速電動汽車的采用。
文獻信息
Electric Vehicles Batteries: Requirements and Challenges, Joule, 2020. doi:10.1016/j.joule.2020.01.013, https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.01.013.
