出品：科普我国
制作：王一丰（中科院青岛生物动力与进程研讨所先进电池正极资料研讨组）
监制：我国科学院计算机网络信息中心
近年来清洁动力轿车开展敏捷，以特斯拉为首的电动轿车企业推出了多款科技感十足的电动轿车。经过不断的技能革新，电动轿车功能得到了极大的提高，电动轿车也从概念产品逐步进入人们的日子。
电动轿车（图片来历：Veer图库）
电动轿车契合科技进步和年代开展的潮流，被越来越多的人们喜欢和承受。可是现在电动轿车与燃油轿车比较，还存在着续航路程短，充电速度慢，本钱高等问题。处理问题的要害在于电动轿车的“油箱”——动力电池，能够说动力电池决议了电动轿车的生命力和竞争力。现在，作为动力贮存体系之一的锂离子电池主导了动力电池的开展，这是由于其具有高电压、高能量密度、长寿数和安全性较好的长处。
什么是锂离子电池呢？
锂离子电池是一种可重复充放电的二次电池。他的首要组成部分有：正极、负极、隔阂和电解液。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，一起开释的电子从外部电路搬运至负极，保持电荷平衡；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抵达正极。在每一次充放电循环进程中，锂离子(Li+)充当了电能的搬运载体，循环往复的从正极负极正极来回的移动，与正、负极资料发作反响，将化学能和电能彼此转化，完成了电荷的搬运，这便是锂离子电池的基本原理。
锂离子电池作业原理图 （图片来历：John B. Goodenough，2013）
简单“激动”的正负电极
锂离子电池能将电能和化学能彼此转化然后完成能量的存储和开释，条件之一是正负极的资料要生动，要简单氧化和复原，要很“简单”参加化学反响然后完成能量转化。其二是需求存在有电位差的正负极资料来完成电荷移动。经过长时刻的研讨和探究，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、镍钴锰三元等资料，作为电池正极活性物质。
负极一般挑选石墨或其他碳资料做活性物质，也是遵从上述的准则，既要求是好的能量载体，又要相对安稳，还要有相对丰厚的储量，便于大规模制作，碳元素便是一个相对优化的挑选。
“放电”也需分场合
如上所述，锂离子经过电解质活动，而反响发作的电子经过外部电路做功。因而，电池体系有必要确保锂离子和电子的活动，也便是说，它有必要是一个好的离子导体和一个电子导体。许多电化学活性资料都不是杰出的电子导体，因而需求添加一些导电资料，如炭黑。为了将电极资料和导电剂固定在一起，还需求添加一些粘合剂。在这种情况下，电化学反响只能发作在活性物质、导电剂和电解质相遇的当地。
尽管锂离子流经电解质，但正极和负极有必要在物理上分隔。为了避免短路形成能量的剧烈开释，就需求用一种资料将正负极“阻隔”开来。这要求资料具有杰出的离子经过性，能给锂离子敞开通道，让其能够自在经过，一起又是电子的绝缘体，以完成正负极之间的绝缘。现在的锂离子电池运用的是聚乙烯（polyethylene，PE）、聚丙烯（polypropylene，PP）制备成的多孔隔阂。
电动轿车提高续航才能的瓶颈在哪？
关于手机、笔记本等电子设备来说，能量存储是要害。贮存的电量越多越好，操作时刻越久越好。而关于一些更大方面的运用，如电动轿车中的电池，除了对电池的能量密度有要求之外，功率相同重要。资料有必要能够快速供给电量以驱动轿车，并在电量耗尽时能够进行快速地充电。
现在电动车存在的问题是续航受限！燃油小轿车加满一箱油的续航路程在500公里左右，电动轿车轿车的续航路程取决于它的“油箱”——电池。看到这儿或许就会有人问了，为什么不给轿车装一个超大的电池呢？
这种主意有没有道理呢？答案是有必定道理，但不全对。并不是电池越大，续航路程就越高！
添加电动轿车的续航路程分两种办法：一种是经过添加电池组的数量来提高全体容量，这便是前面说到的“大电池”。这种办法的缺陷是轿车全体的分量也会添加，添加的电池削减了轿车内部空间，添加了轿车本钱，一起也增大了电量耗费。因而需求折中考虑电池的分量和续航路程的联系，寻觅最优解。以咱们身边的燃油小轿车为例，加满一箱油大约能够行使500-600 km，假如增大油箱，贮存的油量提高了，可是油耗也会相应添加，考虑到加油站的散布间隔，规划为一箱油行使500-600km 是比较适宜的。添加电动轿车续航才能的另一种办法是提高电池的能量密度，开发更轻的，容量更高的电池。另一方面，咱们能够经过提高电池的充电速度，让轿车更快更便利的充满电，来提高电动轿车的续航路程。
怎样让“充电五分钟，续航五百里”的电动轿车成为或许？
国务院颁布的《我国制作2025》提出2020 年动力电池能量密度要到达300 Wh/Kg，2025 年到达400 Wh/Kg，2030 年能量密度到达500 Wh/kg。现在量产动力电池单体能量密度在 230±20 Wh/Kg，依据《我国制作2025》的要求，结合现在的技能道路，我国的科技作业者提出了运用高镍正极＋准固态电解质＋硅碳负极完成 300 Wh/Kg的方针；2025 年运用富锂正极＋全固态电解质＋硅碳／锂金属负极电池完成 400 Wh/Kg的方针，2030年运用锂空气电池、锂硫电池到达500 Wh/Kg的方针。
锂离子电池技能方针（图片来历：作者克己）
有了这些数据，咱们还要考虑到电池安装质量以及整车分量，才能对电动轿车的续航路程有大致的揣度。以特斯拉Model S为例，电池组分量约为1吨，电池容量为约为100KWh，整车质量约为2.5吨，可到达600 km的续航路程。依据最近的报导，特斯拉研发的第三代超级充电体系，充电速率超越1000英里/每小时（约合1609公里/小时），5分钟内弥补最高75英里电量（约合120公里），充电15分钟就能够行使近270公里。
“充电五分钟，续航五百里”，在现在来说尚不能到达。假如这一想象完成，无疑将撼动燃油轿车的控制位置。那么，“充电五分钟，续航五百里”真的是可望而不可即吗？
想完成这一方针，对电池的充放电速度有了一个很高的要求。正负极储锂资料的脱锂嵌锂速度和在快速充放电进程中的结构安稳性是首要原因。高速充电往往会使电池发热、结构遭到损坏，并下降电池的寿数。这又对电池的安稳性、安全性提出了要求。尽管近年来氢燃料电池概念轿车多有报导，可是氢燃料电池轿车需求处理制氢、储氢、燃料电池发动机、车体结构、安全性等等一系列的复杂问题，难以进行商业化运用。总的来说未来的很长一段时刻，电动轿车电池仍将会以锂离子电池为主。想要把“充电五分钟，续航五百里”变为实际需求满意以下几个条件：（1）资料的能量密度高，即贮存的电能多。（3）在锂离子刺进和脱出时，资料与锂的反响要十分敏捷。 (3)该资料是杰出的电子导体。这将会削减电池的内部损耗，进一步提高电池的功能。 (4)资料安稳。充放电进程中资料不改动结构或以其他方法分化，资料体积不会发作胀大和形变。(5)资料本钱低。这决议了电池和电动轿车的价格。(6)资料环保。对环境无污染或污染极小、可控。
假如想要完成“充电五分钟，续航五百里”的方针，还需求对电池的工艺技能和储能机理进行愈加深化的研讨和发掘。信任在不久的将来，“充电五分钟，续航五百里”的电动轿车将成为或许！
