出品：科普中国

　　制作：王一丰（中科院青岛生物能源与过程研究所先进电池正极材料研究组）

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　近年来清洁能源汽车发展迅速，以特斯拉为首的电动汽车企业推出了多款科技感十足的电动汽车。通过不断的技术革新，电动汽车性能得到了极大的提升，电动汽车也从概念产品逐渐进入人们的生活。

　　电动汽车（图片来源：Veer图库）

　　电动汽车符合科技进步和时代发展的潮流，被越来越多的人们喜爱和接受。然而目前电动汽车与燃油汽车相比，还存在着续航里程短，充电速度慢，成本高等问题。解决问题的关键在于电动汽车的“油箱”——动力电池，可以说动力电池决定了电动汽车的生命力和竞争力。目前，作为能源储存体系之一的锂离子电池主导了动力电池的发展，这是因为其具有高电压、高能量密度、长寿命和安全性较好的优点。

　　什么是锂离子电池呢？

　　锂离子电池是一种可反复充放电的二次电池。他的主要组成部分有：正极、负极、隔膜和电解液。如下图所示，充电时锂离子从正极脱出，经过电解质进入到负极，同时释放的电子从外部电路转移至负极，维持电荷平衡；放电时锂离子从负极脱出，经过电解质进入正极，而电子从负极经外部电路到达正极。在每一次充放电循环过程中，锂离子(Li+)充当了电能的搬运载体，周而复始的从正极→负极→正极来回的移动，与正、负极材料发生反应，将化学能和电能相互转换，实现了电荷的转移，这就是锂离子电池的基本原理。

　　锂离子电池工作原理图 （图片来源：John B. Goodenough，2013）

　　容易“激动”的正负电极

　　锂离子电池能将电能和化学能相互转换进而实现能量的存储和释放，条件之一是正负极的材料要活泼，要容易氧化和还原，要很“容易”参与化学反应从而实现能量转换。其二是需要存在有电位差的正负极材料来实现电荷移动。经过长期的研究和探索，人们找到了几种锂的金属氧化物，如钴酸锂、钛酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰三元等材料，作为电池正极活性物质。

　　负极通常选择石墨或其他碳材料做活性物质，也是遵循上述的原则，既要求是好的能量载体，又要相对稳定，还要有相对丰富的储量，便于大规模制造，碳元素就是一个相对优化的选择。

　　“放电”也需分场合

　　如上所述，锂离子通过电解质流动，而反应产生的电子通过外部电路做功。因此，电池系统必须保证锂离子和电子的流动，也就是说，它必须是一个好的离子导体和一个电子导体。许多电化学活性材料都不是良好的电子导体，因此需要添加一些导电材料，如炭黑。为了将电极材料和导电剂固定在一起，还需要添加一些粘合剂。在这种情况下，电化学反应只能发生在活性物质、导电剂和电解质相遇的地方。

　　虽然锂离子流经电解质，但正极和负极必须在物理上分开。为了防止短路造成能量的剧烈释放，就需要用一种材料将正负极“隔离”开来。这要求材料具有良好的离子通过性，能给锂离子开放通道，让其可以自由通过，同时又是电子的绝缘体，以实现正负极之间的绝缘。目前的锂离子电池使用的是聚乙烯（polyethylene，PE）、聚丙烯（polypropylene，PP）制备成的多孔隔膜。

　　电动汽车提升续航能力的瓶颈在哪？

　　对于手机、笔记本等电子设备来说，能量存储是关键。储存的电量越多越好，操作时间越久越好。而对于一些更大方面的应用，如电动汽车中的电池，除了对电池的能量密度有要求之外，功率同样重要。材料必须能够快速提供电量以驱动汽车，并在电量耗尽时能够进行快速地充电。

　　目前电动车存在的问题是续航受限！燃油小汽车加满一箱油的续航里程在500公里左右，电动汽车汽车的续航里程取决于它的“油箱”——电池。看到这里可能就会有人问了，为什么不给汽车装一个超大的电池呢？

　　这种想法有没有道理呢？答案是有一定道理，但不全对。并不是电池越大，续航里程就越高！

　　增加电动汽车的续航里程分两种方法：一种是通过增加电池组的数量来提升整体容量，这就是前面提到的“大电池”。这种方法的缺点是汽车整体的重量也会增加，增加的电池减少了汽车内部空间，增加了汽车成本，同时也增大了电量消耗。因此需要折中考虑电池的重量和续航里程的关系，寻找最优解。以我们身边的燃油小汽车为例，加满一箱油大约可以行使500-600 km，如果增大油箱，储存的油量提升了，但是油耗也会相应增加，考虑到加油站的分布距离，设计为一箱油行使500-600km 是比较合适的。增加电动汽车续航能力的另一种方法是提升电池的能量密度，开发更轻的，容量更高的电池。另一方面，我们可以通过提升电池的充电速度，让汽车更快更方便的充满电，来提升电动汽车的续航里程。

　　怎么让“充电五分钟，续航五百里”的电动汽车成为可能？

　　国务院颁发的《中国制造2025》提出2020 年动力电池能量密度要达到 300 Wh/Kg，2025 年达到 400 Wh/Kg，2030 年能量密度达到 500 Wh/kg。目前量产动力电池单体能量密度在 230±20 Wh/Kg，根据《中国制造2025》的要求，结合现在的技术路线，我国的科技工作者提出了使用高镍正极＋准固态电解质＋硅碳负极实现 300 Wh/Kg的目标；2025 年使用富锂正极＋全固态电解质＋硅碳／锂金属负极电池实现 400 Wh/Kg的目标，2030年使用锂空气电池、锂硫电池达到500 Wh/Kg的目标。

　　锂离子电池技术目标（图片来源：作者自制）

　　有了这些数据，我们还要考虑到电池装配质量以及整车重量，才能对电动汽车的续航里程有大致的推断。以特斯拉Model S为例，电池组重量约为1吨，电池容量为约为100KWh，整车质量约为2.5吨，可达到600 km的续航里程。根据最近的报道，特斯拉研制的第三代超级充电系统，充电速率超过1000英里/每小时（约合1609公里/小时），5分钟内补充最高75英里电量（约合120公里），充电15分钟就可以行使近270公里。

　　“充电五分钟，续航五百里”，在目前来说尚不能达到。如果这一设想实现，无疑将撼动燃油汽车的统治地位。那么，“充电五分钟，续航五百里”真的是可望而不可即吗？

　　想实现这一目标，对电池的充放电速度有了一个很高的要求。正负极储锂材料的脱锂嵌锂速度和在快速充放电过程中的结构稳定性是主要原因。高速充电往往会使电池发热、结构遭到破坏，并降低电池的寿命。这又对电池的稳定性、安全性提出了要求。虽然近年来氢燃料电池概念汽车多有报道，但是氢燃料电池汽车需要解决制氢、储氢、燃料电池发动机、车体结构、安全性等等一系列的复杂问题，难以进行商业化使用。总的来说未来的很长一段时间，电动汽车电池仍将会以锂离子电池为主。想要把“充电五分钟，续航五百里”变为现实需要满足以下几个条件：（1）材料的能量密度高，即储存的电能多。（3）在锂离子插入和脱出时，材料与锂的反应要非常迅速。 (3)该材料是良好的电子导体。这将会减少电池的内部损耗，进一步提升电池的性能。 (4)材料稳定。充放电过程中材料不改变结构或以其他方式分解，材料体积不会发生膨胀和形变。(5)材料成本低。这决定了电池和电动汽车的价格。(6)材料环保。对环境无污染或污染极小、可控。

　　如果想要实现“充电五分钟，续航五百里”的目标，还需要对电池的工艺技术和储能机理进行更加深入的研究和挖掘。相信在不久的将来，“充电五分钟，续航五百里”的电动汽车将成为可能！