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什么是純電動汽車發展道路上的絆腳石?

鉅大LARGE  |  點擊量:20次  |  2020年09月01日  

摘要
什么是純電動車發展道路上的絆腳石?這個問題的答案不只一個,但眾多答案當中,有一個最受到大家的重視,那就是電動車的安全問題,因為它和我們的生命安全息息相關。而在眾多影響電動車安全的問題當中,電池安全最棘

什么是純電動汽車發展道路上的絆腳石?這個問題的答案不只一個,但眾多答案當中,有一個最受到大家的重視,那就是電動汽車的安全問題,因為它和我們的生命安全息息相關。而在眾多影響電動汽車安全的問題當中,電池安全最棘手、影響也最大,于是這一次我們打算用四期選題,追根溯源,從動力鋰電池的發展、現狀、未來等不同階段,以動力鋰電池輻射到整車,剖析純電動汽車的安全問題。


本期是該系列選題的第一期,我們將帶您回到中世紀,看看電池是如何誕生的,作為驅動車輛的能源,它又經歷了什么,從什么時候開始,它變成了“危險份子”?


假如這世界上真的有時光機,那讓我們回到1786的一天,在意大利一個潮濕、充滿腥氣的解剖室當中,來自意大利的解剖學家LuigiGalvani(伽爾瓦尼)和他的助手正準備解剖一只死青蛙。當他雙手舉著手術刀,碰觸到青蛙的腿部時,青蛙的腿部肌肉抽搐了一下。


這個名叫伏特的小伙子不僅是個貴族,同時還是一個物理學家,他受到本杰明·富蘭克林的啟發,多次實驗論證,出現電流的并不是青蛙的肌肉,而是一些液體和兩塊異質金屬。盡管伽爾瓦尼的結論并不準確,但從他開始,人們就開啟了一系列對可儲存電能的研究。


可能是伏特太過于沉迷于掌聲,他并沒有深入對這些電化學反應進行研究,電流出現的基本原理,他并不了解。正如在發明了罐頭之后很多年人們才發明了開瓶器相同,很長一段時間內,人們并不了解電堆出現電的原理。


實際上“伏特電堆”的銀片和鋅片就是后來我們說的電池的正負極,而鹽水浸濕的紙片就是后來的電解質。當時的科學家對化學電池進行了多方面的嘗試,人們發現在電池出現電的同時,還會出現很多氣泡(氫氣),氣泡控制不好,電池就容易膨脹、爆炸。


這時候的電池,電壓低、容易爆炸、因為電解質使用的是硫酸,所以還有搬運不方便的問題存在,于是1888年,化學家卡斯尼爾將淀粉加入電解質中,制成漿糊狀,從此這類電池就被成為“干電池”。在這里要說明一下,現在動力鋰電池當中的電解質也是漿糊狀的,但為了和固態電池當中固態的電解質區分,我們也通常將前者叫做電解液。


隨后鎳鎘、鎳鐵電池被發明出來,但由于當時這些材料比其它蓄電池的料貴得多,因此實際應用受到了阻礙,但這也讓鎳這種正極材料體系的電池開始進入了人們的視野。之后科學家對電池的研究,都在如何讓電池的電力更持久、更安全、成本更低的道路上不斷努力。


假如大家還能背出元素周期表,那就會了解排在前列的鋰是比較活潑的金屬元素,科學家們發現將復合材料混合鋰離子制成的電池能放出的電量最多,而且鋰的重量非常輕,用它制作的電池體積非常小,為電池的廣泛推廣、應用打下基礎,但事物總有雙面性,鋰過于活躍,容易發生內短路,存在的安全隱患比較多。


由于鋰活性較高,遇到水或者空氣都會發生反應導致燃燒和爆炸,那么如何穩定它呢?科學家發現鋰離子具有嵌入石墨的特性,因此嘗試利用這個特性制作充電電池,首個可用的鋰離子石墨電極由貝爾實驗室試制成功。


由于該思路和當時鋰離子電池研究的方向不大一致,當時沒有任何一家公司敢接古迪納夫的發明,甚至他的母校牛津大學都不愿意為其申請專利。不過這時候一家來自日本的公司伸出了橄欖枝,它就是索尼公司。至此鋰離子電池發展的“權杖”從歐洲轉移到了亞洲。


實際上從1992年索尼將鋰離子電池商業化之后,鋰離子電池開始大量在消費電子產品中出現,廣泛的應用不僅拉低了它的成本,同時也推動了鋰離子電池的發展,能量密度更高、續航里程更長,充電倍率更高、各種材料體系的鋰離子電池出現:鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、三元鋰離子電池層出不窮。


磷酸鐵鋰材料相比鈷酸鋰材料擁有更結實的晶體結構,這意味著更加耐久和安全,并且它的重要構成元素是我們生活中隨處可見的鐵和磷,所以生產成本要比鈷酸鋰低得多。后來人們對電池的能量密度又不太滿意了,于是更高電壓、能量密度更高的三元鋰離子電池出現在人們的視野當中。


從電化學電池的發展歷程來看,它起源自歐洲,在亞洲被發揚光大,通過多年的發展,目前鉛酸電池、鎳鉻電池、鎳氫電池、鋰離子電池,它們因為各自的“個性”特點被應用在生活的各個方面。那么鋰離子電池在這么多電池種類當中,憑什么脫穎而出成為車輛動力鋰電池的優選?本身帶有不穩定性的它,為何還能讓車公司趨之若鶩呢?


早期的電動汽車風靡了很短暫的一陣,由于當時用作動力的鉛酸電池體積大、質量大、能量密度小,電池重達1200磅,進行維護的時候要將其整個取下,且在電池的底部會形成沉淀物,不按時清理容易造成短路,硫酸等電解液會流出,造成中毒或發生爆炸。汽油車的先驅CharlesDuryea查爾斯·杜里埃曾開玩笑地說:“一組電池比一座全是病人的醫院還難伺候”。當時的電動汽車沒能發展起來還有一個重要的原因,當時電動汽車依然是貴族的工具,因為歐洲很多地方家里還沒有通電。


EV1使用的是鉛酸電池組,續航僅為96公里,鉛酸電池續航能力差也成為電動汽車不能逾越的一道坎,盡管隨后通用使用了鎳合金電池組代替鉛酸電池,但續航里程僅達到260公里,和汽油車沒法比,且電池里的材料造價不菲、污染嚴重。


福特也曾嘗試使用鈉硫電池當作動力鋰電池,它的續航能力是鉛酸電池的三倍,但這種電池在實驗室中頻頻起火,最終沒能應用到量產車上。雖然純電動汽車型的發展受到了阻礙,但油電混合動力車型在這個階段有了一定的發展,鎳氫電池也是在這時被廣泛使用,它穩定性高、耐過充過放,即便能量密度低,續航里程少,但由于車型不單單是靠電力驅動,因此它的缺點也能被人們所接受。


車用動力鋰電池從誕生起就一直在循環性能、成本、安全性、能量密度、容量這幾大方面尋找平衡點。實際上不僅是車用動力鋰電池,這幾大方面甚至貫穿了整個電池發展200多年的時間,人們在互相拉扯、選擇之間推動著事物的發展,可以預見的未來是我們還將在這些方面不斷探索和前進,作為車用動力鋰電池來說,如何達到最完美的平衡,要的可能是我們全人類的努力。責任編輯:tzh


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