电动汽车能做到充电五分钟续航五百里吗
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(文章来源:中国科普博览)
近年来清洁能源汽车发展迅速,以特斯拉为首的电动汽车企业推出了多款科技感十足的电动汽车。通过不断的技术革新,电动汽车性能得到了极大的提升,电动汽车也从概念产品逐渐进入人们的生活。
电动汽车符合科技进步和时代发展的潮流,被越来越多的人们喜爱和接受。然而目前电动汽车与燃油汽车相比,还存在着续航里程短,充电速度慢,成本高等问题。解决问题的关键在于电动汽车的“油箱”——动力电池,可以说动力电池决定了电动汽车的生命力和竞争力。目前,作为能源储存体系之一的锂离子电池主导了动力电池的发展,这是因为其具有高电压、高能量密度、长寿命和安全性较好的优点。
锂离子电池是一种可反复充放电的二次电池。他的主要组成部分有:正极、负极、隔膜和电解液。如下图所示,充电时锂离子从正极脱出,经过电解质进入到负极,同时释放的电子从外部电路转移至负极,维持电荷平衡;放电时锂离子从负极脱出,经过电解质进入正极,而电子从负极经外部电路到达正极。在每一次充放电循环过程中,锂离子(Li+)充当了电能的搬运载体,周而复始的从正极→负极→正极来回的移动,与正、负极材料发生反应,将化学能和电能相互转换,实现了电荷的转移,这就是锂离子电池的基本原理。
锂离子电池能将电能和化学能相互转换进而实现能量的存储和释放,条件之一是正负极的材料要活泼,要容易氧化和还原,要很“容易”参与化学反应从而实现能量转换。其二是需要存在有电位差的正负极材料来实现电荷移动。经过长期的研究和探索,人们找到了几种锂的金属氧化物,如钴酸锂、钛酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰三元等材料,作为电池正极活性物质。
负极通常选择石墨或其他碳材料做活性物质,也是遵循上述的原则,既要求是好的能量载体,又要相对稳定,还要有相对丰富的储量,便于大规模制造,碳元素就是一个相对优化的选择。
如上所述,锂离子通过电解质流动,而反应产生的电子通过外部电路做功。因此,电池系统必须保证锂离子和电子的流动,也就是说,它必须是一个好的离子导体和一个电子导体。许多电化学活性材料都不是良好的电子导体,因此需要添加一些导电材料,如炭黑。为了将电极材料和导电剂固定在一起,还需要添加一些粘合剂。在这种情况下,电化学反应只能发生在活性物质、导电剂和电解质相遇的地方。
虽然锂离子流经电解质,但正极和负极必须在物理上分开。为了防止短路造成能量的剧烈释放,就需要用一种材料将正负极“隔离”开来。这要求材料具有良好的离子通过性,能给锂离子开放通道,让其可以自由通过,同时又是电子的绝缘体,以实现正负极之间的绝缘。目前的锂离子电池使用的是聚乙烯(polyethylene,PE)、聚丙烯(polypropylene,PP)制备成的多孔隔膜。
对于手机、笔记本等电子设备来说,能量存储是关键。储存的电量越多越好,操作时间越久越好。而对于一些更大方面的应用,如电动汽车中的电池,除了对电池的能量密度有要求之外,功率同样重要。材料必须能够快速提供电量以驱动汽车,并在电量耗尽时能够进行快速地充电。
目前电动车存在的问题是续航受限!燃油小汽车加满一箱油的续航里程在500公里左右,电动汽车汽车的续航里程取决于它的“油箱”——电池。看到这里可能就会有人问了,为什么不给汽车装一个超大的电池呢?这种想法有没有道理呢?答案是有一定道理,但不全对。并不是电池越大,续航里程就越高!
有了这些数据,我们还要考虑到电池装配质量以及整车重量,才能对电动汽车的续航里程有大致的推断。以特斯拉Model S为例,电池组重量约为1吨,电池容量为约为100KWh,整车质量约为2.5吨,可达到600 km的续航里程。根据最近的报道,特斯拉研制的第三代超级充电系统,充电速率超过1000英里/每小时(约合1609公里/小时),5分钟内补充最高75英里电量(约合120公里),充电15分钟就可以行使近270公里。
“充电五分钟,续航五百里”,在目前来说尚不能达到。如果这一设想实现,无疑将撼动燃油汽车的统治地位。那么,“充电五分钟,续航五百里”真的是可望而不可即吗?