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性能更強——電動汽車材料創(chuàng)新技術解析

2021-09-15 17:29:21·  來源：汽車與新動力  
　
研究、開發(fā)及利用全新的材料將如何改變電動汽車的未來，并對其性能改進？本文將帶您一探究竟。隨著技術的不斷發(fā)展，電動汽車行業(yè)對關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汽車的未來，并對其性能改進？本文將帶您一探究竟。
隨著技術的不斷發(fā)展，電動汽車行業(yè)對關鍵原始材料的需求正在增加，并且這種需求增長的主要關注點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）首席科學家，法拉第調(diào)研固態(tài)電池SOLBAT項目的主要研究者Peter Bruce提到，對于在電動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，而是其成本和供應鏈安全性。
 
由于這些關鍵材料的儲量主要集中在少數(shù)國家，因此其價格得以進一步提升，行業(yè)普遍對供應鏈的中斷現(xiàn)象持負面態(tài)度。因此，不少研究人員目前已經(jīng)開始尋找能維持供應鏈安全，并且成本較為低廉的全新材料。
 
在電動汽車電池的開發(fā)進程中，1項最重要的推動因素是對鈷材料的使用。據(jù)Bruce所言，目前行業(yè)更趨向于使用富錳材料，因為其成本效益更高。Bruce本人正在法拉第研究所從事SOLBAT項目的研究，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項目中，研究人員計劃使用傳統(tǒng)電池中的負極材料。雖然研究人員將會使用鋰金屬作為負電極，但對于固態(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個類別——氧化物和硫化物。
 
負責SOLBAT項目的研究團隊正致力于尋找針對固態(tài)負極的最佳解決方案。研究團隊將使用化學方法和電腦模型來完成不同的化學試驗，以找到1個為固態(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。鈉的供應量非常充足，并且其成本效益高于鋰。Bruce補充道，鈉的1項優(yōu)勢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。除了上述材料以外，硅是當前有望在電動汽車中得以使用的另1種材料。
 
硅變頻器
電驅(qū)傳動系統(tǒng)解決方案提供者Equipmake公司的相關研究人員認為，碳化硅（SiC）對電動汽車具有顯著益處。Equipmake公司的總經(jīng)理Lan Foley對此進行了解釋，當研究人員將該類材料應用于電子設備時，可有效提升其技術先進性，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轎車中，由1個SiC變頻器帶來的相關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，1臺電動汽車可以使用1塊更小的電池，并且可以減少對鋰的依賴。
 
未來，Equipmake公司將針對商用車行業(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上得以廣泛應用，但研究人員預測到2024年，匹配SiC變頻器的電動汽車的保有量將超過采用傳統(tǒng)IGBT的電動汽車。到2030年，所有電動汽車中的95%將使用SiC變頻器。該類材料有著廣闊的市場，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汽車的性能。
 
NAWA Technologies公司創(chuàng)始人、董事會主席、首席技術官（CTO）和首席運營官（COO）Pascal Boulanger對此提到，在NAWA公司最新的技術方案中，每個細微管的直徑與長度之間存在一定的比例關系，當其直徑為5 nm時，其長度為等量的1 km。在實際研究過程中，納米管以1種難以想象的密集方式布置，每平方厘米內(nèi)布設有約1 000億個碳納米管，這種布置方式是技術研發(fā)的關鍵所在。與由非均勻粉末材料制成的標準電池作比較，這種直管使電荷更容易進出，并使系統(tǒng)性能大幅提升，并且提供了1個更加健全的結(jié)構(gòu)。
 
據(jù)Boulanger所言，目前業(yè)界對VACNT的應用較為廣泛。在NAWA的技術方案中，應用包括超級電容，如NAWACap，其可以提供相比現(xiàn)有技術更強的能量儲存方案。在復合材料中，納米管作為1個層間層，可以有效提升系統(tǒng)強度。
 
研究人員對電極進行了特別評判，因為VACNT可使電荷更易于實現(xiàn)自由移動，并且對能量儲存和功率大有好處。NAWA的VACNT基礎的系統(tǒng)，被稱為超快碳電極（UFCE），并且可以應用到任何電池類型中，同時能夠達到300%的能量密度。根據(jù)一些客戶所獲得的結(jié)果，該項措施能實現(xiàn)更快的充電過程，并能相應增加電池壽命。對于電動汽車而言，UFCE可以實現(xiàn)長達960 km的續(xù)航里程。
 
由于VACNT提供了1個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一步縮短，由此對該傳導過程進行了加速。NAWA的UFCE技術最早將于2022年投入市場。目前，電池制造商Saft正在與NAWA進行合作，來對該項技術進行試驗。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（Chalmers University of Technology）和瑞典皇家理工學院（KTH Royal Institute of Technology）的研究團隊正在探索結(jié)構(gòu)電池的使用。在2021年3月，該團隊宣布已生產(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。
査爾姆斯理工大學的項目負責人Leif Asp教授對此提到，結(jié)構(gòu)電池的1項重要優(yōu)點是其可被視為1個零質(zhì)量的能量儲存系統(tǒng)。當前，電動汽車電池本質(zhì)上是1類結(jié)構(gòu)寄生組織，并不利于電動汽車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。根據(jù)相關計算表明，這種多功能電池類型能夠最大化地減小1臺電動汽車的質(zhì)量。
 
結(jié)構(gòu)電池包含有同時充當電極、導體和承載負荷材料的碳纖維。負極由碳纖維制成，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行分離。
 
據(jù)査爾姆斯理工大學的相關研究人員所言，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，該研究團隊正在從事1個全新項目。該項目由瑞士國家航天局資助，研究目的旨在進一步提升結(jié)構(gòu)電池的性能。
Asp繼續(xù)提到，鋁箔將被碳纖維替代，在正極中作為負荷承載材料，提供更強的剛度和更高的能量密度。玻璃纖維分離器將被1個超薄版本替代，其將具有更好的效果，以及更快的充電循環(huán)。新項目期望在2年內(nèi)完成，電池預計可以具有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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