电动汽车电池的续航能力为啥不好？

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引进了一批技术含量高的电动汽车。通过不断的技术创新，电动汽车的性能得到了极大的提高，电动汽车已经从概念产品逐渐进入人们的生活。

电动汽车(照片来源:维尔画廊)

电动汽车顺应了科技进步和时代发展的趋势，越来越受到人们的喜爱和接受。然而，与燃油汽车相比，电动汽车仍然存在续航里程短、充电速度慢和成本高等问题。解决问题的关键在于电动车的“燃料箱”——动力电池，这可以说决定了电动车的生命力和竞争力。目前，锂离子电池作为储能系统之一，以其高电压、高能量密度、长寿命和安全性好等优点主导着动力电池的发展。

什么是锂离子电池？

锂离子电池是一种可以反复充电和放电的二次电池。他的主要成分是:正极、负极、隔膜和电解液。如下图所示，锂离子在充电过程中从正极出来，通过电解液进入负极，释放的电子从外部电路转移到负极，以保持电荷平衡。在放电过程中，锂离子从负电极出来并通过电解质进入正电极，而电子通过外部电路从负电极到达正电极。在每次充放电循环中，锂离子(Li+)作为电能的载体，从正极到负极再到正极反复来回移动，与正极和负极材料反应，将化学能和电能相互转化，实现电荷转移。这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:约翰·古德斯沃，2013)

正负电极容易“激发”

锂离子电池可以将电能和化学能相互转化，实现能量储存和释放。条件之一是正极和负极的材料应该是活性的，容易氧化和还原，并且“容易”参与化学反应来实现能量转换。二是需要有电位差的正负电极材料来实现电荷移动。经过长期的研究和探索，人们发现了几种锂金属氧化物，如钴酸锂、钛酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰三元等材料，作为电池的正极活性材料。

负极通常选择石墨或其他碳材料作为活性材料，并且也遵循上述原理。它不仅需要一个好的能源载体，而且需要一个相对稳定的能源载体，还需要一个相对丰富的储量，便于大规模生产。碳是相对最佳的选择。

“出院”也需要划分场合

如上所述，锂离子流过电解质，反应产生的电子通过外部电路工作。因此，电池系统必须确保锂离子和电子的流动，也就是说，它必须是良好的离子导体和电子导体。许多电化学活性材料不是好的电子导体，所以有必要添加一些导电材料，如碳黑。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，电化学反应只能在活性物质、导电剂和电解质相遇的地方发生。

虽然锂离子流过电解质，但正极和负极必须物理分离。为了防止能量因短路而剧烈释放，有必要使用一种材料来“隔离”正极和负极。这就要求该材料具有良好的离子渗透性，能为锂离子*通过开辟通道，同时也是实现正负电极绝缘的电子绝缘体。目前的锂离子电池使用由聚乙烯和聚丙烯制成的多孔隔膜。

提高电动汽车耐久性的瓶颈是什么？

对于手机、笔记本电脑和其他电子设备来说，储能是关键。储存的电量越多越好，运行时间越长越好。对于一些较大的应用，例如电动汽车中的电池，除了电池的能量密度之外，功率也同样重要。这种材料必须能够快速提供电力来驱动汽车，并在电力耗尽时快速充电。

目前，电动汽车的问题是续航能力有限。一辆装满油箱的燃油汽车的续航里程约为500公里。电动汽车的续航里程取决于它的“油箱”——电池。有些人可能会问，当他们看到这里，为什么不安装一个额外的汽车电池？

这个想法合理吗？答案是合理的，但不完全正确。并不是说电池越大，范围就越大！

有两种方法可以增加电动汽车的续航里程:一种是增加电池组的数量来增加总容量，这被称为“大电池”。这种方法的缺点是汽车的总重量也会增加。增加的电池减少了汽车的内部空间，增加了汽车的成本，也增加了功耗。因此，有必要折衷电池重量和电池范围之间的关系，以找到最佳解决方案。以我们周围的燃料汽车为例，加满一箱燃料大约需要500-600公里。如果燃油箱增加，储存的燃油量会增加，但燃油消耗量也会相应增加。考虑到加油站的分布距离，油箱设计为500-600公里更合适。提高电动汽车耐久性的另一种方法是增加电池的能量密度，开发更轻、容量更大的电池。另一方面，我们可以通过提高电池的充电速度来提高电动汽车的续航里程，从而使汽车能够更快、更方便地充满电。

如何使电动汽车充电五分钟并行驶500英里成为可能？

国务院发布的《中国制造2025》提出，动力电池的能量密度在2020年达到300瓦时/千克，2025年达到400瓦时/千克，2030年达到500瓦时/千克。目前，大规模生产的动力电池的能量密度为230±20瓦时/千克。根据“中国制造2025”的要求，结合目前的技术路线，我国科技工作者提出采用高镍正极+准固体电解质+硅碳负极来实现300瓦时/千克的目标。使用富锂正极+全固体电解质+硅碳/锂金属负极电池，到2025年达到400瓦时/千克的目标，使用锂空气电池和锂硫电池，到2030年达到500瓦时/千克的目标。

锂离子电池的技术目标(图片来源:作者自制)

有了这些数据，我们还需要考虑电池组件的质量和整车的重量，然后才能对电动汽车的续航里程做出一般性的推断。以特斯拉S型为例，电池组重约1吨，电池容量约100千瓦小时，车辆质量约2.5吨，可行驶600公里。根据最近的报道，特斯拉的第三代超级充电系统的充电速度超过1，000英里每小时(约1，609公里每小时)，5分钟内最大电量为75英里(约120公里)，15分钟内接近270公里。

“充电五分钟，电池寿命500里路”目前仍无法实现。如果这一想法得以实现，无疑将动摇燃油汽车的主导地位。那么，“充电五分钟，行驶500英里”真的是你力所不及的吗？

为了实现这个目标，对电池的充电和放电速度有非常高的要求。主要原因是正极和负极储锂材料的脱锂和嵌锂速度以及快速充放电过程中的结构稳定性。高速充电经常导致电池发热，损坏其结构并降低其使用寿命。这反过来要求电池的稳定性和安全性。尽管近年来有许多关于氢燃料电池概念车的报道，但氢燃料电池车需要解决一系列难以商业化的复杂问题，如制氢、储氢、燃料电池发动机、车体结构、安全性等。一般来说，在未来很长一段时间内，电动汽车的电池仍将主要是锂离子电池。为了实现“充电5分钟，持续500英里”的目标，需要满足以下条件:(1)材料具有高能量密度，即储存更多电能。(3)当锂离子被插入和移除时，材料和锂之间的反应应该非常迅速。(3)该材料是良好的电子导体。这将减少电池的内部损耗，并进一步提高电池的性能。(4)材料稳定性。在充放电过程中，材料不会改变其结构或以其他方式分解，其体积也不会膨胀或变形。(5)材料成本低。这决定了电池和电动汽车的价格。(6)材料的环境保护。对环境无污染或污染极小且可控。

如果你想实现“五分钟充电和500英里电池寿命”的目标，你需要对电池技术和储能机制进行更深入的研究和挖掘。我相信在不久的将来，电动汽车充电5分钟并行驶500英里是可能的！

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