首頁車訊情報 Porsche闡述電池電芯的未來：將續航里程提升到1300公里

Porsche闡述電池電芯的未來：將續航里程提升到1300公里

CarStuff 人車事 2023-05-16 08:43:27

網址已複製 ×

Written by: Bear

電池技術正在不斷發展進步，預計很快就會在能量密度、充電功率、安全性和使用壽命方面取得進一步突破。Porsche透過Cellforce Group和Group 14 Technologies直接參與最前沿的研發工作。

高能量密度、大功率、長壽命、最高水準的安全性，並且還要以盡可能低的成本實現這一切：電動車電池必須同時滿足諸多要求，而當前佔主導地位的鋰離子技術已經做得很好。不過，幾乎所有參數都還有能改進的空間，學術界和工業界都在緊鑼密鼓地推進研究與開發工作。同時，充滿希望的下一代技術也已經處於起步階段。而鋰離子電池在市場上佔據主導地位並非巧合：鋰原子特別容易失去其三個電子之一，同時鋰也是質量最輕的金屬。這些特性讓鋰元素十分合適作為可充電電池的基礎材料。

Porsche Engineering工程公司電芯專項工程師Dr. Stefanie Edelberg說，「就能量密度而言，純鋰是理想的陽極活性材料。不過，出於安全考慮，目前一般使用能吸收鋰離子的石墨作為陽極活性材料。鋰電池的其他優勢還包括：存儲容量非常高、價格相對較低、使用壽命也很長。」

德國明斯特大學MEET電池研究中心商業技術總監Dr.Falko Schappacher表示，「鋰電池在經過1,500至3,000個完整充電週期後仍可剩餘初始能量密度的80%，這一點可以輕鬆實現，沒有任何問題。」按照目前的預測，車載電池的使用壽命可達到一百萬公里的行駛里程。

b-DE_CPM_387_E-Dossier_Seite_5_Bild_0001 2.jpg

陽極的優化

鋰離子技術是一種由許多元件構成的系統，因此有很多環節存在進一步優化的空間。陽極就是其中之一：目前常用的陽極活性材料是石墨，而矽則是新的極具吸引力的替代方案，它提供的儲電容量要高出10倍。Schappacher博士強調說，「矽陽極會顯著提高鋰離子電池的整體能量密度。」Edelberg博士也指出，「矽的一大優勢在於，就重量而言，其儲電能力僅次於鋰，因此有望實現能量密度極高的電池。而且，它也是地殼中含量第二豐富的元素。」此外，她還認為，使用矽材料的電池可以具備極出色的快速充電能力，例如：在15分鐘內即可從5%充至80%。

然而，矽顆粒在吸收鋰時體積會膨脹300%，因此會對材料和電極產生機械應力。如果電極表面因此受損，那麼電池的使用壽命也會受到影響。Edelberg博士表示，「使用純矽活性材料，可以最大限度地提高能量密度，但也會面臨使用壽命極大縮短的缺點。」儘管如此，業界依然在加緊研究高矽含量陽極，最高達80%。例如：Cellforce正與Porsche合作探索這一技術路線。

註：石墨陽極需要4個碳原子才能吸住1個鋰離子；而1個矽原子卻能吸住4個鋰離子，所以能有更佳的導電性。但是，矽在鋰電池充電時會膨脹300%，而現在發達的奈米技術配合專門的導電添加劑和黏合劑，可控制膨脹的問題。

👉 Toyota Crown貴族版VS皇家版之新一代Crossover跨界跑旅巔峰對決

提高陰極中的鎳含量

除了陽極之外，業界也在努力優化陰極所用的活性材料。陰極材料需要具備儲能容量大、電化學勢能高的性質。目前，歐洲電動車行業最常使用的材料是鎳鈷錳酸鋰(NCM，即三元鋰電池)，其中鎳、鈷、錳的比例為 6：2：2。

將來，鎳的含量可能會繼續提高，鈷和錳的用量則相應降低。鎳含量提高可以提升儲能容量。另外，隔膜也是另一大潛在優化手段：它由非常薄(10至20微米)的薄膜組成，材料多為聚乙烯或聚丙烯。不過，使用隔膜就需要犧牲一定的安裝空間和重量。Edelberg博士說，「隔膜可以間接提高電芯能量密度。隔膜越薄，在電芯中就可以設置更多層或更多卷電極。如此便可以提高電芯容量和能量密度。」

緊湊型固態電池

目前，業界正在積極研究固態電池，它需要的安裝空間可能比傳統的鋰離子電池少得多。固態電池不使用電解液，而是使用固體電解質載體。Edelberg博士解釋說，「在固態電池中，傳統的隔膜完全被一層薄薄的固態電解質取代。可以說，固態電解質發揮了電解液和隔膜的雙重作用。」

使用純矽活性材料，可以最大限度地提高能量密度

由於固態電池摒棄了液態電解質，並使用鋰金屬陽極，研究人員認為，其能量密度有望提升高達50%，此外還有充電速度大大加快、固態電解質不易燃…等潛在優勢。Schappacher博士認為，與鋰-空氣電池等其他發展方向相比，鋰基固態電池(SSB)是「一種很有希望的鋰離子電池的替代選項」。

至於鈉離子電池由於能量密度較低，尤其適合地區儲能應用。鋰-空氣技術仍然面臨許多挑戰，就目前的情況來看，幾乎沒有任何優勢可言。Edelberg博士同樣認為：目前和不久的將來，鋰-空氣電池依然只能停留在基礎研究課題階段。然而，調整電芯化學成分並不是優化電池的唯一方法，電芯感測器技術和包裝方面同樣有提升潛力可以挖掘。

如果安裝在電池中的感測器可以更加精確、快速地記錄電池狀態，就可以縮短充電時間，例如：透過在特殊電壓範圍內的快速充電能力實現這一點。另外，還可以更精確地控制電芯冷卻系統，這也有利於延長壽命。

在未來性能更強大的電池中，包裝和電芯設計也將起到不可忽視的作用。例如：可以透過無模組(Cell-to-Pack)技術將電芯直接整合成電池組。亥姆霍茲研究所(HIU)所長、卡爾斯魯厄理工學院(KIT)儲能系統研究所負責人博士教授Prof.Dr. Maximilian Fichtner說，「這打破了目前電池規模較小的局限性。現在，我們不用再將大量巧克力棒大小的電芯一一連接，而是可以將一系列長達1.20米的電芯橫向安裝，緊緊地塞進一個框架中，就像床的板條框架一樣。」這樣一來，就能在更小的空間內實現更大的儲電容量和更好的冷卻效果。

更大的潛力

Fichtner博士說，「從中期來看，將新的陽極化學成分與電芯密集包裝相結合，我們有望將續航里程提升到1,300公里。」Schappacher博士對此也持樂觀態度，並表示，「不過，技術飛躍總是很難預測，尤其是像固態電池這樣的重大飛躍。我相信，高檔車的續航里程有望增加30%至50%。」這位專家預測說，並且還進一步強調：比增加續航里程更重要的，是快速充電能力。據Schappacher博士預計，在未來，快速充電到80%將不會比在加油站加油所需的時間多出很多。

Cellforce Group運營長Markus Gräf解釋說，「現在的Taycan只需22.5分鐘即可從5%充電到80%。如果將矽用作陽極材料，在中期內有望將這一時間縮短至15分鐘以內，長期來看甚至有可能遠低於15分鐘。」

不過，這也要求研發性能更強大的新型充電樁。此外，將來可能需要對充電插座進行主動冷卻，以便安全傳輸超過500 kW的大充電功率。目前業界正在積極推進研發工作，致力於進一步優化鋰離子電池、發展固態電池等新興技術，並且有望在未來幾年內為電能儲存系統的性能帶來顯著飛躍，讓電動車更具吸引力。