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性能更強(qiáng)——電動(dòng)汽車材料創(chuàng)新技術(shù)解析

2021-09-15 17:29:21·  來源：汽車與新動(dòng)力  
　
研究、開發(fā)及利用全新的材料將如何改變電動(dòng)汽車的未來，并對(duì)其性能改進(jìn)？本文將帶您一探究竟。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，電動(dòng)汽車行業(yè)對(duì)關(guān)鍵原始材料的需求正在增加，
研究、開發(fā)及利用全新的材料將如何改變電動(dòng)汽車的未來，并對(duì)其性能改進(jìn)？本文將帶您一探究竟。
隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，電動(dòng)汽車行業(yè)對(duì)關(guān)鍵原始材料的需求正在增加，并且這種需求增長的主要關(guān)注點(diǎn)為一些在電池制造過程中使用的重要材料，如鈷、鋰、錳和石墨。
 
牛津大學(xué)材料系的材料科沃夫森教授（Wolfson），法拉第研究所（Faraday Institution）首席科學(xué)家，法拉第調(diào)研固態(tài)電池SOLBAT項(xiàng)目的主要研究者Peter Bruce提到，對(duì)于在電動(dòng)汽車中使用的大多數(shù)材料而言，行業(yè)目前面臨的最大的問題不是其可利用性，而是其成本和供應(yīng)鏈安全性。
 
由于這些關(guān)鍵材料的儲(chǔ)量主要集中在少數(shù)國家，因此其價(jià)格得以進(jìn)一步提升，行業(yè)普遍對(duì)供應(yīng)鏈的中斷現(xiàn)象持負(fù)面態(tài)度。因此，不少研究人員目前已經(jīng)開始尋找能維持供應(yīng)鏈安全，并且成本較為低廉的全新材料。
 
在電動(dòng)汽車電池的開發(fā)進(jìn)程中，1項(xiàng)最重要的推動(dòng)因素是對(duì)鈷材料的使用。據(jù)Bruce所言，目前行業(yè)更趨向于使用富錳材料，因?yàn)槠涑杀拘б娓?。Bruce本人正在法拉第研究所從事SOLBAT項(xiàng)目的研究，旨在開發(fā)出1款新型全固態(tài)電池，其中將可看到電芯中的液態(tài)電解質(zhì)被固體所替代。在SOLBAT項(xiàng)目中，研究人員計(jì)劃使用傳統(tǒng)電池中的負(fù)極材料。雖然研究人員將會(huì)使用鋰金屬作為負(fù)電極，但對(duì)于固態(tài)電解質(zhì)而言，還有許多其他材料可供選擇。這些備選材料大體上可分2個(gè)類別——氧化物和硫化物。
 
負(fù)責(zé)SOLBAT項(xiàng)目的研究團(tuán)隊(duì)正致力于尋找針對(duì)固態(tài)負(fù)極的最佳解決方案。研究團(tuán)隊(duì)將使用化學(xué)方法和電腦模型來完成不同的化學(xué)試驗(yàn)，以找到1個(gè)為固態(tài)電極提供優(yōu)良特性的解決方案。
法拉第研究所也在使用鐵鈉材料來開發(fā)電池。鈉的供應(yīng)量非常充足，并且其成本效益高于鋰。Bruce補(bǔ)充道，鈉的1項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是可以將鋁作為集流體。在鐵鋰材料中，研究人員需要使用銅作為負(fù)電極，銅比鋁更貴。目前，研究人員也在使用低成本碳開展研究，該類材料具有輕量化的特點(diǎn)。除了上述材料以外，硅是當(dāng)前有望在電動(dòng)汽車中得以使用的另1種材料。
 
硅變頻器
電驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)解決方案提供者Equipmake公司的相關(guān)研究人員認(rèn)為，碳化硅（SiC）對(duì)電動(dòng)汽車具有顯著益處。Equipmake公司的總經(jīng)理Lan Foley對(duì)此進(jìn)行了解釋，當(dāng)研究人員將該類材料應(yīng)用于電子設(shè)備時(shí)，可有效提升其技術(shù)先進(jìn)性，并提供更高的功率水平、更低的功率損失。
據(jù)Foley所言，在1款典型的高性能電動(dòng)轎車中，由1個(gè)SiC變頻器帶來的相關(guān)效率可以使電池尺寸減小至少10%，并使電池質(zhì)量減輕約40～50 kg。就系統(tǒng)效率而言，1款SiC變頻器可帶來顯著優(yōu)勢(shì)，1臺(tái)電動(dòng)汽車可以使用1塊更小的電池，并且可以減少對(duì)鋰的依賴。
 
未來，Equipmake公司將針對(duì)商用車行業(yè)發(fā)布新款高性能SiC變頻器。Foley提到，SiC變頻器目前還未在汽車市場(chǎng)上得以廣泛應(yīng)用，但研究人員預(yù)測(cè)到2024年，匹配SiC變頻器的電動(dòng)汽車的保有量將超過采用傳統(tǒng)IGBT的電動(dòng)汽車。到2030年，所有電動(dòng)汽車中的95%將使用SiC變頻器。該類材料有著廣闊的市場(chǎng)，并且正在持續(xù)增長。
 
碳納米管
 
目前，法國的NAWA Technologies公司已經(jīng)開發(fā)了1項(xiàng)具有全新突破性的材料解決方案。據(jù)該公司的研究人員所言，其可用于定向碳納米管陣列（VACNT）的解決方案，并且能顯著提升電動(dòng)汽車的性能。
 
NAWA Technologies公司創(chuàng)始人、董事會(huì)主席、首席技術(shù)官（CTO）和首席運(yùn)營官（COO）Pascal Boulanger對(duì)此提到，在NAWA公司最新的技術(shù)方案中，每個(gè)細(xì)微管的直徑與長度之間存在一定的比例關(guān)系，當(dāng)其直徑為5 nm時(shí)，其長度為等量的1 km。在實(shí)際研究過程中，納米管以1種難以想象的密集方式布置，每平方厘米內(nèi)布設(shè)有約1 000億個(gè)碳納米管，這種布置方式是技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵所在。與由非均勻粉末材料制成的標(biāo)準(zhǔn)電池作比較，這種直管使電荷更容易進(jìn)出，并使系統(tǒng)性能大幅提升，并且提供了1個(gè)更加健全的結(jié)構(gòu)。
 
據(jù)Boulanger所言，目前業(yè)界對(duì)VACNT的應(yīng)用較為廣泛。在NAWA的技術(shù)方案中，應(yīng)用包括超級(jí)電容，如NAWACap，其可以提供相比現(xiàn)有技術(shù)更強(qiáng)的能量?jī)?chǔ)存方案。在復(fù)合材料中，納米管作為1個(gè)層間層，可以有效提升系統(tǒng)強(qiáng)度。
 
研究人員對(duì)電極進(jìn)行了特別評(píng)判，因?yàn)閂ACNT可使電荷更易于實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)，并且對(duì)能量?jī)?chǔ)存和功率大有好處。NAWA的VACNT基礎(chǔ)的系統(tǒng)，被稱為超快碳電極（UFCE），并且可以應(yīng)用到任何電池類型中，同時(shí)能夠達(dá)到300%的能量密度。根據(jù)一些客戶所獲得的結(jié)果，該項(xiàng)措施能實(shí)現(xiàn)更快的充電過程，并能相應(yīng)增加電池壽命。對(duì)于電動(dòng)汽車而言，UFCE可以實(shí)現(xiàn)長達(dá)960 km的續(xù)航里程。
 
由于VACNT提供了1個(gè)更加直接的陽極或陰極結(jié)構(gòu)，并且混合了1種與鋰性質(zhì)較為相近的活性材料，離子輸送電荷的路徑可以進(jìn)一步縮短，由此對(duì)該傳導(dǎo)過程進(jìn)行了加速。NAWA的UFCE技術(shù)最早將于2022年投入市場(chǎng)。目前，電池制造商Saft正在與NAWA進(jìn)行合作，來對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。作為歐洲電池聯(lián)盟的成員，Saft已與PSA和雷諾開展了合作。
 
結(jié)構(gòu)材料
 
來自瑞士査爾姆斯理工大學(xué)（Chalmers University of Technology）和瑞典皇家理工學(xué)院（KTH Royal Institute of Technology）的研究團(tuán)隊(duì)正在探索結(jié)構(gòu)電池的使用。在2021年3月，該團(tuán)隊(duì)宣布已生產(chǎn)出1種結(jié)構(gòu)電池，性能表現(xiàn)優(yōu)于所有早期的同類產(chǎn)品。
査爾姆斯理工大學(xué)的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Leif Asp教授對(duì)此提到，結(jié)構(gòu)電池的1項(xiàng)重要優(yōu)點(diǎn)是其可被視為1個(gè)零質(zhì)量的能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)。當(dāng)前，電動(dòng)汽車電池本質(zhì)上是1類結(jié)構(gòu)寄生組織，并不利于電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。根據(jù)相關(guān)計(jì)算表明，這種多功能電池類型能夠最大化地減小1臺(tái)電動(dòng)汽車的質(zhì)量。
 
結(jié)構(gòu)電池包含有同時(shí)充當(dāng)電極、導(dǎo)體和承載負(fù)荷材料的碳纖維。負(fù)極由碳纖維制成，正極由鋁箔涂層的磷酸鐵鋰制成。在電解質(zhì)基質(zhì)中，該類物質(zhì)可通過玻璃纖維織物進(jìn)行分離。
 
據(jù)査爾姆斯理工大學(xué)的相關(guān)研究人員所言，該款電池的能量密度為24 （W·h）/kg，與現(xiàn)階段可用的鋰離子電池相近，其意味著能使容量提升約20%。目前，該研究團(tuán)隊(duì)正在從事1個(gè)全新項(xiàng)目。該項(xiàng)目由瑞士國家航天局資助，研究目的旨在進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)電池的性能。
Asp繼續(xù)提到，鋁箔將被碳纖維替代，在正極中作為負(fù)荷承載材料，提供更強(qiáng)的剛度和更高的能量密度。玻璃纖維分離器將被1個(gè)超薄版本替代，其將具有更好的效果，以及更快的充電循環(huán)。新項(xiàng)目期望在2年內(nèi)完成，電池預(yù)計(jì)可以具有75（W·h）/kg的能量密度和75 GPa的剛度。
 
作者：HELEN NORMAN
整理：王少輝
編輯：伍賽特
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