美國獎(jiǎng)勵(lì)新研究 電動(dòng)車電池技術(shù)

      鋰電世界   特拉斯Model S車型可能是電動(dòng)汽車世界的寵兒，但是現(xiàn)在汽車用60或85千瓦時(shí)的鋰電池發(fā)生了幾次火災(zāi)，美國聯(lián)邦汽車安全管理部門開始對這款車型進(jìn)行調(diào)查。

      這個(gè)電池組可以使特拉斯Model S車在4.4秒內(nèi)達(dá)到每小時(shí)60英里的速度，這得益于鋰的質(zhì)量優(yōu)勢，這是一種可以迅速釋放大量能量的相對比較輕的物質(zhì)。但是因?yàn)殇嚪浅；钴S，需要用很重的物質(zhì)保護(hù)鋰電池，以免它爆炸。這就使制造成本增加，也會(huì)使汽車的重量增加500磅左右，減少電動(dòng)車充一次電所能行駛的歷程數(shù)。而且鋰電池可能會(huì)過熱而導(dǎo)致火災(zāi)，所以研究者才會(huì)抓緊研究新的電動(dòng)車電瓶技術(shù)。

      今年夏天，美國能源部高級能源研究計(jì)劃組（ARPA-E）拿出了3600萬美元，獎(jiǎng)勵(lì)全國提出新的電動(dòng)汽車電池設(shè)計(jì)方案的研究者。

      鎳氫電池：與電動(dòng)汽車混合

     Michael Fetcenko是德國BASF公司的化學(xué)工程師，也在研究代替鋰電池的新電池，該公司擁有鎳氫電池技術(shù)的許可。鎳氫電池現(xiàn)在主要用于油電混合動(dòng)力車，但是Fetcenko和他的團(tuán)隊(duì)正在利用ARPA-E提供的資金來研究鎳氫電池是否也能用于純電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車。

      其關(guān)鍵是要降低鎳氫電池的成本，和提高電池的能量密度。現(xiàn)在，一個(gè)鎳氫電池的能量密度是1千萬時(shí)。但是，為了成為鋰電池的可靠替代品，BASF公司必須找到一種方法，把能量密度提升到30到50千萬時(shí)。

      要做到這一點(diǎn)，其中一個(gè)方法是找到一些替代品來代替電池中最重要的材料：稀土元素。稀土元素包括元素周期表中的17種化學(xué)元素，提供了鎳氫電池產(chǎn)生能量所需要的一半的反應(yīng)。但是，稀土儲(chǔ)存能量的能力有限，而且因?yàn)楸仨殢闹袊M(jìn)口，所以它們的成本和供應(yīng)量都非常不穩(wěn)定。

      所以，BASF公司正在開發(fā)能夠用在鎳氫電池中的合金。Fetcenko認(rèn)為，他們可以改進(jìn)鎳氫電池的化學(xué)性質(zhì)，使新的電池更便宜、效率更高。但是對于純電動(dòng)車電池來說，鋰仍然比鎳氫更有優(yōu)勢，因?yàn)樗p。

      鋅空氣電池：從助聽器到汽車

      Michael Burz希望下一代大型電動(dòng)車電池是鋅空氣電池，他的公司EnZinc兩年前從美國海軍那個(gè)購買了這種電池技術(shù)。購買了鋅空氣電池技術(shù)后，Burz的團(tuán)隊(duì)開始努力實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的三項(xiàng)目標(biāo)：高性能、安全性和低成本。他認(rèn)為，可以通過改變電池的設(shè)計(jì)方式來實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。

      “過去100多年，人們一直使用同一種電池結(jié)構(gòu)，”Burz說。這種結(jié)構(gòu)包括三個(gè)要素：電池正極、電池負(fù)極和電解質(zhì)。

      在鋰電池中，鋰離子通過有機(jī)電解質(zhì)從正極到達(dá)負(fù)極。但是鋅空氣電池是用空氣作為負(fù)極。這意味著EnZinc公司可以在電池中放入更多的正極材料，從而實(shí)現(xiàn)更大的能量密度。鋅這種物質(zhì)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)——它在電池中的副產(chǎn)品是氧化鋅，是遮光劑的主要成分。而且，美國是世界上第三大產(chǎn)鋅國，美國廠商可以制造安全、低成本、高能的電池。

      為什么我們現(xiàn)在還沒有使用鋅空氣電池呢？因?yàn)槠胀ǖ匿\空氣電池是不能反復(fù)充電的。“這是塊硬骨頭，”

      而可攜帶的鋅空氣電池早就已經(jīng)問世了，是用在助聽器里面。為了使這種電池可以反復(fù)充電，EnZinc公司正在開發(fā)一種新的鋅空氣電池，當(dāng)氧元素釋放出來的時(shí)候，正極的鋅可以重新生成。工程師已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里做到了這一點(diǎn)，ARPA-E的資助使他們有機(jī)會(huì)開發(fā)出產(chǎn)品的原型。

     精簡的同時(shí)保持安全

      并非每個(gè)人都想取代鋰電池。某些研究者正在把這個(gè)難題當(dāng)做一個(gè)拼圖游戲來挑戰(zhàn)，專注于解決電池某個(gè)方面的問題。

      材料科學(xué)家Veith和他的同事則打算開發(fā)一種電解質(zhì)材料，能夠同時(shí)起到電池安全系統(tǒng)的部分作用。

    “在意外事件中，它會(huì)發(fā)生相位變化，成為一個(gè)不可穿透的電池，”Veith說。他希望以此預(yù)防因碰撞引發(fā)的火災(zāi)，Tesla最近發(fā)生的火災(zāi)就是由于這個(gè)原因引起的。他的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)是，如何使材料反應(yīng)得足夠快。“如果需要五分鐘的時(shí)間才發(fā)生相位變化，那就沒有任何用處了，”他說。“我們希望它是瞬間發(fā)生的。”

      充電

     伊利諾伊技術(shù)研究所的Carlo Segre想解決這個(gè)困擾著電動(dòng)汽車駕駛者的難題，使電池充電過程像在加油站給汽車加油一樣簡便。Segre的團(tuán)隊(duì)正在設(shè)計(jì)一種電池，它包括兩個(gè)液體的電極，和由懸浮在液體中的納米粒子構(gòu)成的電解質(zhì)。因?yàn)殡姌O是流動(dòng)的，也許有一天就能用給汽車加油的方式來替換電池電極。

    “你要做的就是在充電站熄火停車，”Segre說。“幾分鐘以后你就可以把車開走，而不需要花很長時(shí)間來給電池充電。”

     這個(gè)項(xiàng)目也得到了ARPA-E的資助，還要花三到五年的時(shí)間才能知道是否會(huì)成功。Segre說，“這就是ARPA-E這個(gè)計(jì)劃的特點(diǎn)，他們并不是只投資于肯定會(huì)成功的項(xiàng)目。”