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    电动汽车充电能像加油一样快吗?

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    2021-6-15 21:22:18 117 0

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    2020年12月15日,在英国布伦特里的一个新充电站,电动汽车正在充电。研究人员正在研究可以在10分钟或更短时间内充满电的电动汽车电池。摄影:CHRIS RATCLIFFE,BLOOMBERG/GETTY IMAGES
    撰文:MADELEINE STONE
    电动汽车正在迅速普及,但一些潜在买家仍然犹豫不决。一个重要原因是电动汽车充电速度太慢。虽然现在的司机习惯了五分钟内加满油,但根据电池的容量和规格不同,电动汽车通常至少需要30分钟才能在最快的充电站充电80%。
    不过,在5到10年内,充电速度更快的电池可能会问世。许多公司正在开发新的锂离子电池材料,以及新的“固态”电池,这些电池能在更快的充电速度下保持更稳定的状态。他们可以将充电时间设定为20分钟或更短。
    与此同时,一个科学家团队最近设计了一个锂电池原型,在实验室条件下,可以在3分钟内充电50%以上,而且如此充电数千次不会出现显著退化。研究人员表示,这可能为研制10分钟内就能充满电的电池奠定了基础。
    然而,要想让超快充电电动汽车电池在技术上既可行又负担得起,还需要克服科学和工程方面的挑战。一些专家质疑,充电速度超快的电动汽车是否真的是我们想要的未来——至少在现有电网的情况下是这样的。
    充电
    如今电动汽车内部的电池由数千块锂离子电池组成,能够储存和释放数千倍的能量。每块电池都由两个电极组成,一个是金属阴极,另一个是石墨阳极,电极之间由液态电解质隔开。当电池充电时,锂离子通过液体从阴极流到阳极,填充石墨层(就像组成积木塔的木块一样)之间的空间。
    锂离子从阴极进入阳极的速度决定了电池充电的速度。不过,就像匆忙地在积木塔中放置积木会导致结构变得不稳定一样,如果锂被注入阳极的速度过快,就会开始出现问题。
    锂电池在高速充电时可能会过热,导致其随着时间的推移而退化。更大的问题是,锂可能会开始在阳极表面堆积,而不是进入阳极,这种现象被称为锂电镀。这不仅会大大降低电池的容量,最终锂沉积还会形成被称为锂枝晶的丝状结构。一旦开始形成,锂枝晶就会在电解液中不断生长,接触阴极并造成短路,导致电池着火或爆炸。
    “从安全的角度来看,这显然不是很好,” 英国伯明翰大学的材料化学教授Peter Slater说。
    由于快速充电存在问题,所有电动汽车电池都有内置的充电速度限制,由车载充电端口设定。一个350千瓦的快速充电站(目前美国最强大的公共充电设施)理论上可以在16分钟内给一辆奥迪E-tron SUV的95千瓦时电池充满电。不过,电池本身最多只能接受约150千瓦的功率,导致实际充电时间接近40分钟。
    在现实世界中,电池充电的准确速度不仅取决于充电器或电池的设计容量,还取决于电池的容量、剩余电量,甚至是天气。尽管如此,最先进的快速充电站通常可以让电动汽车电池在30分钟内充满80%的电量,增加数百公里的续航里程。(电池的电量一旦达到80%,充电速度就会变慢,以防止电池损坏。)特斯拉车主可前往一个超级充电站,该电站可在15分钟内为车辆增加320公里续航里程。
    超高速充电的未来?
    虽然在15分钟内增加320公里续航里程是很快的速度,但与在5分钟内为一场公路旅行加满油相比仍相距甚远。那些希望有这样的电动汽车充电体验的人,可能需要坚持到下一代电池技术问世了。
    制造安全充电速度更快的锂离子电池的一种方法是使用替代阳极材料。例如,英国初创公司Echion technologies研发了一种不促进锂电镀或锂枝晶形成的铌阳极。首席执行官Jean De La Verpilliere说,用这种材料制造的电池可以“以你能想象的最快速度”充电。他的电动汽车电池原型可以在6分钟内充满电,“而且不会影响电池的安全性或寿命”,他说。
    然而,这种快速充电需要付出代价:每单位质量的铌阳极比传统的石墨阳极存储的能量更少。由于电动汽车制造商倾向于优先考虑能量密集的电池(这种电池一次充电可以行驶更长的时间),而不是超快充电的电池,Echion公司目前正将其目标锁定在其他电池市场,比如电网存储和电动工具。最终,De La Verpilliere的设想是,这种电池的一个版本可应用于任何停机充电都会耗费公司资金的车队。
    对于渴求更大容量电池的个体司机来说,新兴的固态电池设计提供了希望。在这种电池中,锂离子通过的是固体电解质,通常是陶瓷,而不是液体电解质。因为液体电解质易燃,这使得电池更安全。这也开辟了使用更耐锂电镀的阳极材料的可能性,因此可以加快充电速度。
    Solid Power是一家正在宝马集团和福特公司的资助下开发固态电池的公司,目前在研发一种硅阳极电池。该公司的首席技术官Joshua Buettner-Garre表示,这种电池可以在15分钟内充电50%,其商用版的目标是20分钟充满电。该公司还在研发具有锂金属阳极的电池,这种电池单位质量存储的能量是石墨的10倍。
    在固态设计中,锂金属电池理论上应该能非常快地充电。不过,实际上,这类电池也容易形成锂枝晶,导致电池迅速退化,尤其是在快速充电状态下。快速充电的锂金属电池将会成为高性能电动汽车电池的“圣杯”,但目前“仍处于研发状态”,Buettner-Garre说。
    新的研究可能会使这些超级电池不断走向现实。最近,由哈佛大学材料科学家Xin Li领导的一个团队设计了一种固态锂金属电池,该电池在电极中使用不同的材料层以阻止锂枝晶的生长。在《自然》杂志上,该团队描述了一种可以在三分钟内充满电的原型电池,同时在10000次循环后仍能保持80%以上的容量。(典型的电动汽车电池在1000-2000次循环后容量就会减少20%。)
    上述研究仍处于初级阶段。该团队需要证明目前只有硬币大小的电池可以按比例放大并批量生产用于汽车。
    Li说,“如果一切顺利的话”,这种电池的商用版本可能在五年内面世。
    如果能利用金属锂的优势,“我们之前做出的很多关于快速充电的假设实际上都不用考虑,”卡耐基梅隆大学的工程师Venkat Viswanathan说,他的实验室也在研发下一代电池。
    社会速度限制
    即使电动汽车电池10分钟内充满电在技术上可以实现,但目前还不清楚超高速充电是否可行。在400伏或更高的电压下,如今的快速充电站从电网中获取的电力已经远远超过许多电动汽车用户在家中使用的120伏和240伏插座。如果所有的美国人都驾驶电动汽车,而且每个人都希望随时能使用快速充电设施,这可能会给电网带来巨大的压力。
    “在基础设施方面还有另一个需要考虑的因素,我们必须考虑整个输电系统能支持多大的电流,” Li说。
    Buettner-Garrett说,“在社会影响层面和充电设施层面上,都需要找到一个平衡,以实现便利和成本的最优结合。”电动汽车制造商认识到了这一点,并将目光放到了2025前后推出的20-30分钟充电时间的汽车,他说。
    英国斯旺西大学的电池存储专家Jenny Baker不确定超高速充电是否是正确的目标。她指出,在用电需求较低的夜间,在家充电更实惠,也更环保,因为夜间电网运营商需要较少的备用发电厂,而这些发电厂往往使用污染更严重的燃料。包括Baker在内的许多电动汽车车主也认为,夜间充电比白天停下来充电更方便。
    “如果你有这种能力,在家充电是最有益于环境的。如果电动汽车变得和汽油车一样,我会非常失望,因为这不能充分发挥它们的潜力,” Baker说。
    (译者:流浪狗)
    *以上内容转载自国家地理中文网,车市有约对内容或做细微删改,不代表本网站赞同其观点和对其真实性负责。

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