机动车
惊人的超级电池将改变电动汽车的性能
要求制造商列出他们最想从电动汽车获得的三件事，许多司机会提到：长续航里程、短充电时间和与同等配备的内燃机汽车竞争的价格。为了帮助实现这些目标，汽车制造商一直在寻找方法，以更先进的“固态”版本替代为大多数现代电动汽车供电的传统锂离子电池。这些新型超级电池长期以来一直承诺更快的充电和更长的续航里程。最后，在经过多年的技术问题之后，制造它们的努力正在开始实现成果，第一批固态锂离子电池将在未来几年投入生产。
世界最大的汽车制造商丰田从2012年开始研究固态电池。多年来，它甚至打算展示工作原型，尽管很少出现。该公司最近宣布它已经取得了“技术突破”，然而，它计划最早在2027年开始制造固态电池。丰田声称其新电池将为电动汽车提供大约1200公里的续航里程，这是许多现有模型的两倍，并且可以在大约十分钟内充电。
日产也在努力开发固态电池，其声明的性能参数与其他生产商类似。例如，日产正在横滨建设一个试点工厂，将于明年开始制造测试版本。宝马与总部位于科罗拉多州的电池开发商Solid Power合作，也在德国计划建立一个类似的工厂。硅谷创业公司QuantumScape已经开始向其主要支持者大众汽车运送固态电池的原型。
也许开发固态电池花了这么长时间并不令人惊讶。在实验室中使新型电池工作一方面是一回事，但将其扩大规模以便能在工厂中生产数百万个又是另一回事。尽管锂离子电池本身是在上世纪70年代后期发明的，但直到上世纪90年代初它们才得到完全商业化，起初用于便携式电子设备，如笔记本电脑和手机，然后作为更大的版本，可用于为新一代电动汽车供电。
电动汽车自汽车诞生以来就已经存在。事实上，克拉拉·福特比她丈夫亨利制造的汽油动力汽车更喜欢她1914年的底特律电动汽车。但是这些早期的电动汽车和后来出现的其他电动汽车，大多由几十个笨重的铅酸电池供电，这些电池昂贵、续航里程有限、而且进展往往缓慢。轻巧且能够存储大量电荷的锂离子电池降低了成本并增加了续航里程，从而真正开始了电动交通工具的普及。固态锂离子电池可能会带来另一场变革。
汽车制造商最初被吸引使用固态电池是为了提高安全性，因为强大的传统锂离子电池存在风险。这是因为它们包含液态电解质，通常由有机溶剂制成，这些溶剂极易燃烧。因此，如果锂离子电池在事故中受损或在重新充电时过热，它可能会爆炸起火。使用非易燃的固体电解质可以防止这种情况发生。固体电解质可以由各种化学物质制成，包括聚合物和陶瓷。但是即使是大批量生产的专家丰田最初也发现难以让固态电池在长时间内保持高效运转。
仅固体电解质本身不一定可以提高电池的性能。但它确实允许锂离子电池等电池的重新设计，使其可以制造得更小、更轻，从而在更小的空间内存储更多能量。它还允许工程师扩大可以用于生产锂离子电池的材料范围，并调整其工作方式。
尽管其有起火的特性，但电解质之所以采用液态有一个很好的原因。离子是带电粒子，当电池充电时，它们在电池的一个电极，即阴极上产生，导致锂原子被剥离出电子。电解质提供了一种介质，使离子向第二个电极，即阳极迁移。在迁移过程中，离子穿过一个多孔的隔离物，使电极保持分离以防止短路。同时，在阴极产生的电子则沿外部充电电路的线路向阳极移动。离子和电子在阳极重新结合并存储。当电池放电时，这个过程会反向，电路中的电子为一个设备供电，在电动汽车的情况下，该设备是其电动机。
介质就是讯息
为了高效工作，离子需要在电解质和电极之间轻松移动。电极上涂有各种材料，以微小颗粒的层形式存在。由于传统锂离子电池中的液态电解质可以流入这些层并浸湿颗粒，因此它提供了一个大的表面积，离子可以通过该表面积传递。固体电解质不能流入所有角角落落，因此需要用力压缩在电极上以使良好接触。但是，在电池构造过程中这样做可能会损坏电极。解决这个所谓的导电问题是制造固态电池的主要技术挑战之一，比利时格林富瑟公司是电池材料的供应商，其老板Mathias Miedreich说。
尽管最初遇到问题，但据Miedreich先生说，在过去一年中，日本汽车制造商在弄清楚如何大规模制造固态锂离子电池方面取得了巨大进步。他认为，由于推出电动汽车方面曾经落后，所以他们计划利用这些新电池赶超竞争对手。也许吧，但制造超级电池的竞赛远未分出胜负，原因之一是竞争者存在许多不同形式。
一些固态电池已经上市。例如，法国的蓝蓝智能技术公司生产的一种固体电池，其电解质为聚合物。由于这需要高工作温度，因此该电池最适合在电池预热后保持持续使用的车辆。因此，它被用来为电动公交车供电。
其他电池是一种过渡步骤，因为它们仍含有少量液态电解质以帮助导电。主导市场的中国电池制造商也在研发半固态版本。宁德时代是全世界最大的EV电池生产商，其产能占全球总产能的三分之一以上。它称可能会在今年晚些时候开始生产名为“凝聚”电池的半固态版本。该公司声称，这种电池将具有高安全性和大容量。
电池的容量可以通过其比能量来衡量，即每单位质量能够存储的能量数值。宁德时代公司称，其凝聚电池将能够存储每千克500瓦时的能量。目前市场上具有最高性能的液态电解质锂离子电池的比能量峰值约为300瓦时/千克。完全固态电池的比能量可能会达到600瓦时/千克或更高。除了提高电动汽车的路上性能，这样强大且轻量的电池还将大大延伸小型垂直起降飞行出租车的续航里程，这些飞行出租车即将被认证为适航。
然而，容量只是电池的一项特征。其能量输出速度、使用寿命和成本同样重要。但解决这些问题都涉及到权衡取舍。例如，增加能量存储量可能会增加成本，如果需要更多锂的话。而经常快速充电可能会缩短电池的使用寿命。获得平衡的诀窍在于所选择的电池材料。
材料问题
首先是正极，这是锂离子电池中最昂贵的组件。理论上，固态电池对使用哪种类型的正极较为中立。两种最常见的正极材料是所谓的NMC，其涂层含有不同比例的镍、锰、钴;以及LFP，由磷酸铁锂混合物制成。通过避免使用昂贵的镍和钴，LFP正在变得越来越受欢迎。这是中国的一项特色技术。但与NMC相比，LFP的储能量较低，因此倾向于用于不需要高性能的车辆。
随着全世界数百家实验室正在研发新型电池材料，其他类型的正极也势必会出现。例如，格林富瑟与日本电解质生产商出光兴产合作，开发一种称为正极电解质的材料，将正极化学物和固体电解质组合成单层。如果成功的话，这将使电池构造更简单。科学家也在研究以钠代替锂作为电池中离子的来源。钠资源丰富且廉价，尽管作为最轻的金属，锂在某些交通应用中仍将处于领先地位。
至于负极，也在发生变化。目前，大多数负极由石墨制成，这是从莫桑比克或中国的少数矿山开采的纯碳，或在高碳密集的石化工序中合成生产而成。因为固体电解质减少了不良反应的风险，可以使用硅和某些金属代替，特别是金属锂。这些材料可以在更小的空间内存储比石墨更多的能量，这样可以使电池更小、更轻。由于固体电解质也可以充当隔膜，因此还可节省额外的空间。
一些固态电池将是“无负极”的。这是QuantumScape公司采取的方向。它使用一种专有的陶瓷材料，既充当隔膜又充当电解质，放置在正极和金属箔之间。当电池充电时，锂离子通过固体电解质迁移并在箔上积聚，有效地在箔上镀上锂形成负极。当电池放电时，离子迁移回来，负极收缩。
这样形成负极意味着电池会发生扩张和收缩。这在传统锂离子电池中也会发生，大约4%，而在QuantumScape电池中约为15%，公司联合创始人Tim Holme说。这种运动通过电池组的包装来容纳，电池组堆叠成层以形成完整的EV电池。
除了长续航里程和快速充电时间，Holme博士说，QuantumScape电池的“循环寿命”也会延长。这是衡量电池在容量降至低于90%且性能开始下降之前可以充放电的次数的一项指标。QuantumScape电池的这一指标至少为800次循环。因此，如果每次充电仅提供约500公里的平均续航里程，它仍将为电动汽车提供约40万公里的使用寿命，这对任何车辆来说都是非常好的。Holme博士补充说，作为陶瓷材料，电池的隔膜也可抵抗树枝晶的形成。树枝晶是可能在液态电解质中生长并导致短路的金属微观结构。半固态电池，包括凝聚电池，可能仍容易受到这种影响。
在生产线上
这些新电池的实际性能好坏，真正要到它们装配到汽车上并可以测试制造商的说法时才能得知。现有电动汽车的advertised续航里程在实际行驶条件下可能难以实现。半固态电池应会在2025-2026年出现在汽车上，电子技术咨询公司IDTechEx的分析师Xiaoxi He说。她预计丰田等公司开发的第一批全固态电池会在2028年面世。
一开始，这些电池的数量会很少，因为企业需要在投资数十亿美元将现有的“超级工厂”改造以生产新电池或建设新工厂之前，先进行试验生产。这意味着最初这些电池会很昂贵，初期应用会集中在豪华汽车和高性能汽车，He博士补充说。因此，在2030年代前较晚时间，更便宜的固态电池才会在家用轿车中广泛应用。
很大程度上，大规模生产在何种程度上能够降低成本，将取决于未来十年原材料价格的发展。Porsche咨询公司分析师Fabian Duffner说，该公司隶属但独立运营于德国保时捷汽车公司，固态电池将“显著消耗”更多的锂。根据制造方式，他估计含有更高容量正极和负极的电池将需要40-100%更多的锂。与此同时，随着生产商越来越多地从燃油车向电动汽车转型，它们也将需要额外的锂。
被称为“白色黄金”的锂价格一直波动不定。中国主导着锂市场的大部分份额。去年年底，电池级碳酸锂的价格一度飙升至每吨约60万元人民币(约合8万美元)，但目前已回落至每吨约25万元人民币，仍然是两年前的两倍左右。镍的价格也一直不稳定。
在这样一个多变的市场中，公司需要确保其供应链。Duffner博士补充说，这将是困难的，因为即使一些新的锂矿和其他电池材料矿场正在开发中，特别是在中国以外的地方，它们可能需要十年甚至更长时间才能达到全面生产。
因此，Duffner博士预计，许多大型汽车制造商将通过与电池制造商和材料公司合作来实现更垂直整合。在日本，丰田、日产和本田已经与松下和GS Yuasa等电池制造商组成一个联盟，共同开发固态电池。
回收材料将在一定程度上有所帮助。大多数企业已经回收了消费电子产品中的电池，并将扩大规模以处理越来越多的电池，因为旧电动汽车逐渐退役。一旦电池被分离，像锂、钴、镍和锰等材料就可以被回收和提纯。位于内华达州的电池回收企业Redwood Materials使用回收的材料制造新的正极和负极。瑞典电池制造商Northvolt在欧洲拥有多个超级工厂，希望到本十年末能够从回收电池中获取约一半所需材料。
本文译自 The Economist，由 BALI 编辑发布。