研究背景

自鋰離子電池商業化以來，在提高能量密度，降低成本和改善電池性能方面取得了巨大進步。電池技術的進步推動了電動汽車的發展。由于電動汽車可幫助消除汽車排放并減少對石油的依賴，因此幾乎所有汽車制造商都已開始生產電動汽車，并且多個國家/城市已宣布計劃在未來10至30年內禁止內燃機（ICE）汽車。近年來，全球電動汽車銷售迅速上升，2018年首次超過200萬輛。盡管如此，電動汽車采用率的上升部分受到政府政策和法規的推動，并且電動汽車市場份額仍然很小（約2％）。為了與ICE車輛競爭，電動汽車仍然要克服一些障礙，尤其是在電池技術方面。

成果簡介

目前開發新型鋰電、鈉電等先進儲能器件是非常熱門的研究方向，但最終都要落實到產業轉化，因此有必要了解目前電動汽車電池產業市場面對的重要問題及挑戰?；诖?，在市場一線的福特汽車公司電氣化分系統和電源部（DepartmentofElectrificationSubsystemsandPowerSupply）的工程師JieDeng以第一兼通訊作者在Joule發表題為“ElectricVehiclesBatteries:RequirementsandChallenges”的評述文章，為科研人員指明科研攻關方向。

圖1電動汽車電池的要求和挑戰

文章解讀

1.能量密度。續航里程是客戶有關電動汽車的重要關注問題之一，重要取決于電池的能量密度（每單位體積或重量的能量存儲量）。鋰離子電池具有目前電池技術中最高的能量密度之一（250~693Wh/L和100~265Wh/kg），但仍遠低于汽油。因此，要大量的電池才能達到200~300英里的行駛距離。當鋰離子電池的能量密度接近飽和極限時，要開發超越鋰電的下一代電池（能量密度>750Wh/L和>350Wh/kg），以更加有效地進一步擴大行駛里程。

發展方向：電池組新增的硬件進一步降低了整體包裝級的能量密度，因此改善電池設計和電池組效率有關提高車載電池的能量密度至關重要。

2.成本。電動汽車的優點之一是其運行成本相有關內燃機車輛更低。盡管如此，其較高的前期購買價格仍然是廣泛采用電動汽車的重要障礙。由于電池成本決定了電動汽車的價格，因此要降低其價格，以使電動汽車更加實惠。自從首次大規模生產電動汽車以來，電池成本已急劇下降（目前每包約為200美元/千瓦時）。但是，要想具有與內燃機車輛相當的成本，通常認為電池組和電池的成本應分別低于125$/kWh和100$/kWh。

發展方向：降低要一個能夠內聯控制材料，工藝設置和電池質量的智能產品線，以提高電池性能并降低制造成本。

3.快速充電。當前大多數電動汽車要數小時才能充滿電。例如，在隔夜充電或在工作期間充電時，此方法效果很好，但在長距離行駛且要頻繁充電的情況下，這樣做會帶來不便。近來，電動汽車已經改善了充電能力，這大大減少了充電時間。但是，為了達到在10~15分鐘內將EV充電至80％的目標，要付出更多的努力?？焖俪潆姷闹匾系K是電池化學和材料特性。未來的電動汽車要優化充電算法，以實現快速充電而不影響電池壽命和安全性。

發展方向：預熱電池以改善電極動力學，并采用更高電壓的系統來降低電流水平。未來的電動汽車要優化充電算法，以實現快速充電而不影響電池壽命和安全性。

4.使用壽命。為了最大程度地提高電池性能，電動汽車中的電池必須受到充分的約束，以便不僅將其壓縮在模塊中以減少膨脹，還可以通過熱界面材料緊密地連接至冷卻板，以提高冷卻效率。從電池組中更換電池通常要重新組裝整個模塊并更換損壞的冷卻板，這可能很昂貴。因此，電動汽車電池通常無法維修，并且其使用壽命應與車輛的使用壽命相同。根據美國高級電池協會的數據，電動汽車電池的目標壽命為15年（電池壽命通常是指電池容量下降到其原始容量的80％的時間）。

發展方向：充分了解電池材料降解機理，適當選擇材料以及管理工作條件有助于延長電池壽命；同時做好電池回收及重復使用。

5.環境適應性。由于電池是涉及離子和電子的反應和傳輸的電化學系統，因此其性能（例如充電/放電速率或降解機理）會受到環境（尤其是溫度）的影響。例如，高溫允許相對較高的充電速率，但會新增SEI的生長速率，從而縮短電池壽命。另一方面，低溫會減慢SEI的上升，但會刺激鍍鋰。這樣，電池可以針對高溫或低溫進行優化，但是很難在各種溫度下保持相同的性能。

發展方向：使用有效的熱管理系統，將電池溫度保持在一定范圍內，在要時有效地冷卻或加熱電池。優化熱管理設計，尤其是有關能量密度和快速充電能力不斷提高的電池。

6.安全性。安全性是電動汽車電池設計的最關鍵因素之一，因為電池故障可能會導致災難性后果。由于安全性的重要性，許多國家/地區都有有關電動汽車和/或電池的法規，因此在進入市場之前，它們必須通過一系列測試（沖擊，熱，振動等）。電池故障可能是由于外部濫用（例如，碰撞，穿透，過度充電/放電，熱斜坡）或內部機制（例如，鋰枝晶生長）引起的。這些事件可能會觸發電極上的短路或氧化還原反應，從而出現熱量并激活放熱反應，最終導致熱失控。

發展方向：開發新型電池材料（難點：大多數目前會影響電池性能，因此應考慮取舍。例如，水性電解質是不可燃的，但是具有狹窄的電化學穩定性窗口，而固態電池具有較高的機械剛度，但是具有較高的界面阻抗和較差的循環穩定性）；需配備一個或多個安全功能，包括保險絲，通風孔，電流中斷裝置以及用于監視電池電壓和溫度的電池管理系統；建立有效的計算模型（難點：在一個模型中耦合多個物理過程；準確地測量和建模復雜的材料特性；將仿真從組件級別擴展到包裝級別），更經濟地預測不同條件下的電池故障，這在系統電池設計中變得至關重要。

圖2從電池組到各個組件的尺度變化

總結

在不久的將來，單一電池技術在所有六個方面都將超越其他電池將是非常具有挑戰性的。要權衡取舍，以平衡電池性能，壽命，成本和安全性。由于電動汽車中的電池不能單獨工作，因此要準確而有效的系統級分析來優化涉及機械，熱和電氣組件的電池系統。計算機仿真可以在加速系統電池設計中發揮重要用途。特別是，原子尺度的仿真可以幫助選擇關鍵的電池材料，而持續尺度的仿真和機器學習可以幫助減少設計周期并優化系統設計。

為了大幅新增電動汽車市場份額，僅電池技術的進步還不夠。收費基礎設施和政府法規等其他因素也至關重要。充電站的良好覆蓋范圍和能力將進一步減輕客戶的擔憂，適當的政府政策可以為電動汽車市場的上升創造健康的環境。預計汽車制造商，電池供應商，電力供應商和政府的共同努力將有助于刺激客戶的需求并加速電動汽車的采用。

文獻信息

ElectricVehiclesBatteries:RequirementsandChallenges,Joule,2020.doi:10.1016/j.joule.2020.01.013,https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.01.013.