电动汽车电池发展之路：提高密度or减重?

　　特斯拉Model S是电动汽车界的新宠儿，不过最近它经历了连续三起起火事件(包括60千瓦时和85千瓦时两种电池版本的车型)，目前起火详细原因还在调查中。

　　得益于全新的技术与轻量化材料的应用，Model S中的电池组让其从0-60英里/时加速耗时仅需4.4秒。也由于这些材料活跃性质，车中的锂电池需要拥有完备的保护措施。该车中的锂电池组重500磅，它位于车辆的底盘，与轮距同宽，长度略短于轴距。电池组的实际物理尺寸是：长2.7米，宽1.5米，厚度为0.1米-0.18米。其中0.18米较厚的部分是由于2个电池模块叠加造成的。这个物理尺寸指的是电池组整体的大小，包括上下、左右、前后的包裹面板。这个电池组的结构是一个通用设计，除了18650型号电池外，其他符合条件的电池也可以安装。此外，电池组采用密封设计，与空气隔绝，大部分用料为铝或铝合金。可以说，电池不仅是一个能源中心，同时也是Model S底盘的一部分，其坚固的外壳能对车辆起到很好的支撑作用。

　　但即便如此其仍然发生了起火，这也是为何研究者需要加快对新一代电动车电池技术研发进程的原因。

　　今年夏季，美国能源部的高级研究项目署APRA-E投资3600万美元，帮助研究者开发下一代电池设计打下坚实基础。其中包括22个技术项目，目标无一例外都是让电动车变得更高效、成本更低。

　　镍氢电池：从混动车到纯电动车

　　巴斯夫的一位化学工程师Michael Fetcenko是众多电池研究者中的一个，在APRA-E的资助下，试图将原本用于混动汽车中的镍锌电池电池技术扩展应用到纯电动车中。

　　一般来说，镍氢电池的能量密度在1千瓦时/千克。而若要将其应用于纯电动车中，巴斯夫必须将镍氢电池的能量密度提升到30-50千瓦时/千克。此项应用成功与否的关键在于能否将镍氢电池的能量密度增大到要求值，并降低成本。

　　实现这一目标的一种可能途径是替换掉电池中所需的稀土元素。稀土元素是一个统称，该组元素共有17种，称为稀土元素的原因并不是因为其储量少，而是由于其主要存在于矿山中，开发过程中将耗费大量成本。传统的镍氢电池中，超过50%的能量由稀土元素反应生成。不过这类元素的储存性能较差。

　　为了解决这一问题，巴斯夫尝试采用低成本金属氢化物合金。Fetcenko教授认为，这种材料能够提升镍氢电池的化学性能，并让其成本降低。不过对于纯电动汽车来说，光改进镍氢电池的化学性能不足以使其代替锂电池，因为锂电池还拥有一个至关重要的特性————重量轻，或者说密度小。

　　锌-空气电池：从助听器到汽车

　　美国加利福尼亚州一家名为EnZinc的公司认为，锌-空气电池将会引领下一代电动车电池技术。该公司相关研究团队负责人Michael Burz表示，下一代电动车电池应该具备三个要素：高性能、安全、低成本。他和他的团队正在试图改变电池的设计模式/架构，从而做到这三点。

　　他指出，电池的架构已经有超过100年没有发生变化，人们依旧没能跳出思维定势。所谓电池架构包括三个元素：正极、负极、电解液。正极释放电子，负极接收电子。正极与负极之间由电解液隔开，电解液作为离子自由流动的媒介体。

　　在锂离子电池中，锂离子从氧化锂正极出发向碳基化合物负极运动，并采用有机电解液。锌-空气电池则不同，其正极利用碳吸收空气中的氧，负极则是锌合金。锌同时还是一种良性物质，其在电池中的副产品就是氧化锌，而氧化锌则是防晒霜的主要成分。

　　通过上述方法，锌空气电池就可实现高效、低成本和安全三个特性。

　　既然如此，那为何不现在就将该技术普及呢?那就是锌空气电池无法充电。这也是目前其仅在助听器等小型器件中使用的原因。为了让锌空气电池能够充电，EnZinc公司开发出一种新方案，将普通氧气和锌金属放在碱性电解液中，借助锌的氧化反应产生电流，而在重新充电后，氧气和锌又可以再生，如此往复循环，从而提升了电池的能量密度。

　　新途径：电池减重

　　电动车电池发展的方向有多种，有些研究者致力于提升其能量密度和性能，另一些则专注于减轻电池的重量。例如，美国橡树岭国家实验室的Gabriel Veith教授和他的团队正在研究如何降低电池保护系统的重量。

　　Gabriel Veith是一位材料科学家，其希望开发出一种具有和电池安全系统功能相同的轻质电解质材料。

　　Veith解释道：”当电动车发生碰撞事故时，该材料会发生相变，使其难以被穿透。”这项特质或许能够解决近期特斯拉电池起火的问题。而其团队目前面临的问题是：增加材料的响应性能。Veith说：”如果其在电动车发生碰撞的5分钟后才发生相变，那么这将没有任何意义。”