企示录：QuantumScape

搬运自：Thenewcarbatteriesthatcouldpowertheelectricvehiclerevolution(nature.com)电动汽车电池领域正在酝酿一场革命。日本汽车制造商丰田(Toyota)去年表示，计划在2027年至2028年推出一款行驶1000公里、充电时间仅为10分钟的汽车，使用的是一种将液体成分转换为固体成分的电池。中国制造商宣布了2024年的廉价汽车，其电池不是基于当今最好的电动汽车(ev)的锂，而是基于廉价的钠——地壳中最丰富的元素之一。美国一个实验室惊奇地发现了一种梦幻电池，这种电池部分依靠空气运行，可以储存足够的能量为飞机提供动力。对更好的汽车电池的追求是激烈的，很大程度上是因为市场正在飙升。十几个国家已经宣布，到2035年或更早之前，所有新车都必须是电动的。国际能源署预测，全球道路上的电动汽车库存将从2021年的1650万辆增加到2030年的近3.5亿辆(见go.nature.com/42mpkqy)，到2050年，电动汽车电池的能源需求将达到14太瓦时(TWh)，是2020年的90倍。汽车电池有一系列严格的要求。他们需要在尽可能少的材料和重量中封装大量的能量，这样汽车一次充电就能跑得更远。它们需要提供足够的加速功率，充电速度快，寿命长(通常的标准是承受1000次完全充电循环，消费者应该可以使用10-20年)，在很宽的温度范围内工作良好，并且安全且价格合理。加拿大滑铁卢大学(UniversityofWaterloo)的电池研究员琳达·纳扎尔(LindaNazar)说：“一次优化所有这些东西非常困难。”因此，研究人员正在寻找大量的选择，并考虑到不同的目标。美国能源部(DoE)于2017年启动的“电池500”(Battery500)计划的目标是将电池能量密度提高到每公斤500瓦时(Whkg-1)，与当今最好的产品相比，提高了65%。美国能源高级研究计划局(AdvancedResearchProjectsAgency-Energy)去年启动的“PROPEL-1K”计划雄心勃勃地瞄准了1000Whkg-1的长期目标。至于成本，美国能源部汽车技术办公室的目标是到2030年达到每千瓦时60美元，大约是今天价格的一半，这意味着电动汽车的价格将与那些耗油的汽油发动机驱动的汽车的成本持平(见“加油”)。很难确定事物的现状。关于尚未发布的电池或汽车的商业公告有时会强调一种指标，而不是其他指标，而且在电池在实际汽车上进行多年测试之前，专利声明是不可能核实的。但很明显，数十年来对固态电池和钠电池等变体的研究终于取得了成果，纳扎尔说。至于遥远的未来，许多电池化学物质仍具有诱人的可能性。她说：“现在每个人都承认电池的发展非常重要，每个人都在努力去做这件事。”电极进化电池实际上是化学三明治，其工作原理是通过一些中间材料(电解质)将带电离子从一边(阳极)传送到另一边(阴极)，而电子在外部电路中流动。给电池充电意味着将离子分流回阳极(参见“电池是如何工作的”)。锂离子电池自1991年第一个商业化产品以来已经有了很大的改进:电池的能量密度几乎增加了两倍，而价格却下降了一个数量级。“锂离子电池是一个强大的竞争对手，”Ceder说。随着进一步的改进，有人说锂离子电池将在很长一段时间内占据主导地位。加州洛斯阿尔托斯最近退休的科学家温弗里德·威尔克(WinfriedWilcke)说：“我认为锂离子技术将在未来几十年内成为电动汽车的动力技术，因为它足够好。”威尔克曾在2009年至2015年期间领导IBM研究院的一个电池项目。到目前为止，锂离子电池的大部分改进都来自于阴极材料的改变，从而产生了多种商业电池类型。其中一种在笔记本电脑中很流行，它使用钴酸锂，这种电池重量相对较轻，但价格昂贵。其他一些在许多汽车中很流行，使用镍和钴与铝或锰的混合物作为稳定剂(NCA和NCM)。然后是磷酸铁锂(LFP)，它不需要昂贵的钴和镍，但迄今为止能量密度相对较低(参见“锂离子电池类型”)。LFP的价格使其具有吸引力，许多研究人员和公司都在努力改进它;值得注意的是，美国电动汽车制造商特斯拉在2021年决定在其中档汽车中使用LFP电池。阴极还有更多调整的余地。在NCM电池中，研究人员一直在减少更昂贵的钴，转而使用镍，镍也能提供更高的能量密度。这条道路已经导致商业化的镍含量为80%的NCM811电池阴极，研究人员现在正在研究镍含量为90%的NCM955。与此同时，在阳极，一个常见的选择是用硅代替石墨，这种材料每重量可以储存10倍以上的锂原子。挑战在于，在充放电循环中，硅会膨胀和收缩约300%，给电池带来很大的结构压力，并限制其使用寿命。固态想法固态电池的概念是使用陶瓷或固体聚合物作为电解质，它承载锂离子的通道，但有助于阻止枝晶的形成。这不仅使使用全锂阳极变得更容易——具有随之而来的能量密度优势——而且摆脱了易燃的有机液体也意味着消除了可能引起火灾的危险。纳扎尔说，固态电池的电池结构比液体电池简单。从理论上讲，固体电池在低温(因为低温时没有液体变得更粘稠)和高温(因为与电极的界面在高温下不会受到太大影响)下都能更好地工作。但也存在挑战:特别是，如何在各层之间制造一个光滑、完美的界面。此外，离子在固体中的传输速度比在液体中的传输速度要慢，从而限制了功率。而固态电池需要一种全新的制造工艺。“从我们所看到的来看，它们会更贵，”Ceder说。一些电池公司正在向固态电池迈进。例如，位于科罗拉多州路易斯维尔的SolidPower公司(与汽车制造商宝马和福特合作)已经开始了一种固态电池的中试规模生产，该电池采用硅基阳极，据称达到390Whkg-1。位于加州的QuantumScape公司(已与包括大众汽车在内的制造商签署了协议)生产的固态电池具有锂阳极的优点，重量更轻，设计更无阳极。锂金属聚集在阳极一侧，但不需要锂板开始。其中一些电池细节是专有的。QuantumScape已经发布了一些原型性能数据，但没有透露其电解质是由什么制成的，也没有透露其第一个商业产品的能量密度是多少。总的来说，固态电池被吹捧的更高能量密度“在任何商业规模上都没有得到证实”，Ceder说。固态电池驱动的汽车似乎永远都在地平线上：例如，丰田原本计划在本世纪20年代初实现固态电池的商业化，现在却推迟到了本世纪20年代末。说到电池，“丰田在过去十年里说了很多话，但都没有实现，”Ceder警告说。但纳扎尔认为，这个时间框架总体上是现实的。她表示：“我相信，到2025年，我们可能会看到其中一些电池进入市场。”尤其是考虑到一些雄心勃勃的中国公司正在参与这个案子。其中包括总部位于宁德的全球最大电池制造商宁德时代(CATL)。降价研究人员曾尝试用镁、钙、铝和锌等大量其他载流子替代锂，但在钠方面的工作最为先进。钠在元素周期表中位于锂的正下方，使其原子更重更大，但具有相似的化学性质。这意味着锂电池开发和制造的许多经验教训可以复制到钠电池上。而且钠更容易获得：它在地壳中的含量大约是锂的1000倍。“钠储量丰富得令人难以置信，”Ceder说，他认为钠电池的成本最终可能在每千瓦时50美元左右。钠电池已经投入生产(见go.nature.com/3tnwdgt)。中国企业集团比亚迪在2024年初取代特斯拉成为世界上最大的电动汽车制造商，它的第一家钠离子电池厂已经破土动工。中国汽车制造商奇瑞(Chery)、江淮汽车(JMEV)和江淮汽车(JAC)今年都宣布将在中国推出钠离子电池驱动的经济型汽车。这些小型车的标价预计在1万美元左右。但与锂相比，钠的重量更重，从根本上说，很难达到高能量密度。也没有那么多的时间来开发最好的电极和电解质——钠离子电池的能量密度现在大致相当于十年前最好的锂离子电池。宁德时代的钠电池在2021年达到了160Whkg-1的宣传能量密度，据报道价格为每千瓦时77美元;该公司表示，下一款车型的充电效率将提高到200Whkg-1。这些较低的能量密度意味着范围有限。预计使用钠电池的超紧凑型汽车的续航里程约为250-300公里，而锂电池驱动的特斯拉ModelS的续航里程接近600公里。预测和测试电池的开发是繁重的，因为材料的行为并不总是可预测的。例如，Rupp说，目前研究人员需要8-15年的时间来设计新的固态电解质并优化其规格，包括使用哪种添加剂以及如何在高密度锂中包装。“这让我作为一名材料科学家在退休前多研究了两种半材料，”鲁普说。“那太慢了。”人工智能(AI)和自动合成将提供帮助，这有助于更快地探索更多选项。例如，美国能源部位于华盛顿州里奇兰的西北太平洋国家实验室正在与微软公司合作，迅速研发出新的电池材料；以这种方式发现的锂钠固体电解质目前正处于初步测试阶段。但纳扎尔说，这些人工智能策略受到化学家必须输入的信息的限制。她说，关于在电极和电解质材料界面的原子水平上到底发生了什么，还有很多未知的东西。最后，专家们说，我们很可能会在未来的汽车上看到一系列的电池——就像我们今天的2缸、4缸和6缸发动机一样。例如，我们可能会在低端汽车、叉车或专业车辆上看到钠电池或LFP。然后可能会有改进的锂离子电池，可能使用硅阳极或岩盐阴极，用于中档汽车，或者固态锂电池将接管这类汽车。然后可能会有用于高端汽车或飞行出租车的锂电池甚至锂空气电池。但还有很多工作要做。坎宁安说：“所有尚未商业化的不同化学物质都有其优缺点。”“我们的工作就是消除所有这些弊端。”来源：小明来电