电池革命可以让电动汽车成为每个人的现实

金属锂将使电池更轻,功率更大。

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向电动汽车转型的动力越来越强,通用汽车,福特,大众汽车他们都承诺到本世纪30年代提高电动零排放汽车的产量。

目前,电动汽车仅占3%全球新车销量.这是因为,对于如今的许多消费者来说,电动汽车与汽油驱动的汽车相比太贵了,加油也太麻烦了,这在很大程度上要归功于用于驱动电动汽车的锂离子电池。

让电动汽车真正流行起来低碳排放在美国,许多专家表示,这需要的不仅仅是主要汽车制造商的承诺。我们需要开发一种全新的电池,而锂金属电池或许能提供答案。

今天电池的问题

今天生产的电动汽车使用的是锂离子电池,和你的电脑或智能手机里的电池是同一类型的。这些电池使我们能够做一些我们曾经认为不可能的事情——比如为我们的设备充电。

然而,它们确实有一些主要缺点:昂贵、笨重,而且很快就会报废。(此外,在电动汽车中,它们偶尔也会出现起火如果发生碰撞。呀!)

使用金属锂的电池重量更轻,续航时间是现在大多数电池的两倍,储存的能量也更多。

锂离子电池由两端两种不同的材料组成——电极。一个带负电(阳极),另一个带正电(阴极)。在这些材料之间是一种液体化学物质(电解液),它携带离子在两端相反的电荷之间来回流动,产生电流,流向任何你想要供电的设备。

锂离子电池的负电荷电极通常由石墨制成。石墨的主要问题是它又大又重,而且它实际上对电池的总能量生产没有贡献。

但如果我们能制造出一种电池,每个电子都可以用来创造和储存能量,它将会更轻,更强大。

输入:锂金属。

锂金属电池的承诺

金属锂,元素周期表上最轻的金属,被认为是电池材料的圣杯,因为它具有最高的能量密度。使用金属锂的电池重量更轻,续航时间是现在大多数电池的两倍,储存的能量也更多。

因为锂离子电池使用重石墨而不是金属锂,所以在能量密度方面处于劣势。与石墨不同的是,金属锂不仅仅是沉重的重量——它实际上有助于电池的整体能量生产。

但金属锂有一个问题:它的反应能力很强。与任何液体,包括电解质(一种用来来回传输离子的化学物质)接触,都会造成微小的裂缝,即树突的形成,从而使电池降解。这些树突会使细胞短路,可能导致细胞燃烧。

固态电池可以降低成本,提高电动汽车的安全性。

这就是为什么你在特斯拉或电子设备中找不到锂金属电池的主要原因。

如果它们要成为电池创新的下一个大事件,研究人员必须创造一种电解质,既不会降解金属,又能让离子轻松通过它。

这是一个艰巨的任务——但解决方案可能是固体电解质。

固态电池的概念已有几十年的历史。然而,到目前为止,还没有人能将其付诸实践。

但是QuantumScape,一家从斯坦福大学分离出来的电池创业公司,现在索赔就是这样做。

从液体到固体

QuantumScape对固态电解质的具体成分守口如瓶,该公司只会说这是一种陶瓷,根据《麻省理工科技评论》

首席执行官Jagdeep Singh告诉麻省理工学院,该公司的电池将有助于使电动汽车获得商业成功:它们将降低成本,提高行驶里程,缩短充电时间,延长寿命,并提高安全性。

他说:“任何能满足这些要求的电池都能以一种你现在无法做到的方式打开98%的市场。”

内部数据发布该公司的研究表明,一款单层固态电池可以在15分钟内充满高达80%的容量。(相比之下,在2019年,特斯拉能够做到给Model 3充电从5%到90%在37分钟内)。经过800次充电循环后,它还能保持80%以上的容量,重要的是,它不允许树突形成,而且不可燃。

橡树岭国家实验室的电池研究员南希·杜德尼告诉麻省理工学院的詹姆斯·坦普尔:“量子景观让我很为难。”“乍一看,它看起来真的不错。”

到目前为止,QuantumScape的结果虽然令人印象深刻,但也很有限。经过10年的研究,该公司只公布了在单层电池上进行的测试。但电池至少需要几十层才能在电动汽车上工作——这一事实导致许多电池行业人士对QuantumScape声称在未来4年内开发一种能为电动汽车提供动力的电池表示怀疑。

将电池从单个电池扩展到完整电池组可能是一项更加困难的任务。“尽管一种材料在小规模上看起来很有前途,但在扩大规模时,这些缺陷可能会成为一个更大的问题,”阿贡能源储存科学合作中心主任Venkat Srinivasan说,根据《连线》杂志。

“现实世界的操作与实验室规模的操作非常不同。”

QuantumScape的发展只在实验室中出现过,距离商业化还有几年的时间。

前面的路又长又挤

电池领域最近出现了一场激烈的竞争——有许多不同类型的固态电池正在开发中,而quantiumscape并不是唯一一家致力于这个问题的初创公司。这是个好消息——电池的发展是复杂而艰难的,对更高效、更安全的电池的需求预计只会在未来十年增长。

“由于固态电池在实现汽车电气化方面的巨大潜力,固态电池的竞争格局正变得越来越拥挤,”位于科罗拉多州的电池初创企业Solid Power的首席执行官道格•坎贝尔(Doug Campbell)告诉《连线》(Wired)。

这最终将带来更大的续航里程、更高的可靠性和更低的成本。”

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