性能更强——电动汽车材料创新技术解析

  研究、开发及利用全新的材料将如何改变电动汽车的未来,并对其性能改进?本文将带您一探究竟。

  随着技术的不断发展,电动汽车行业对关键原始材料的需求正在增加,并且这种需求增长的主要关注点为一些在电池制造过程中使用的重要材料,如钴、锂、锰和石墨。

  牛津大学材料系的材料科沃夫森教授(Wolfson),法拉第研究所(Faraday Institution)首席科学家,法拉第调研固态电池SOLBAT项目的主要研究者Peter Bruce提到,对于在电动汽车中使用的大多数材料而言,行业目前面临的最大的问题不是其可利用性,而是其成本和供应链安全性。

  由于这些关键材料的储量主要集中在少数国家,因此其价格得以进一步提升,行业普遍对供应链的中断现象持负面态度。因此,不少研究人员目前已经开始寻找能维持供应链安全,并且成本较为低廉的全新材料。

  在电动汽车电池的开发进程中,1项最重要的推动因素是对钴材料的使用。据Bruce所言,目前行业更趋向于使用富锰材料,因为其成本效益更高。Bruce本人正在法拉第研究所从事SOLBAT项目的研究,旨在开发出1款新型全固态电池,其中将可看到电芯中的液态电解质被固体所替代。在SOLBAT项目中,研究人员计划使用传统电池中的负极材料。虽然研究人员将会使用锂金属作为负电极,但对于固态电解质而言,还有许多其他材料可供选择。这些备选材料大体上可分2个类别——氧化物和硫化物。

  负责SOLBAT项目的研究团队正致力于寻找针对固态负极的最佳解决方案。研究团队将使用化学方法和电脑模型来完成不同的化学试验,以找到1个为固态电极提供优良特性的解决方案。

  法拉第研究所也在使用铁钠材料来开发电池。钠的供应量非常充足,并且其成本效益高于锂。Bruce补充道,钠的1项优势是可以将铝作为集流体。在铁锂材料中,研究人员需要使用铜作为负电极,铜比铝更贵。目前,研究人员也在使用低成本碳开展研究,该类材料具有轻量化的特点。除了上述材料以外,硅是当前有望在电动汽车中得以使用的另1种材料。

  硅变频器

  电驱传动系统解决方案提供者Equipmake公司的相关研究人员认为,碳化硅(SiC)对电动汽车具有显著益处。Equipmake公司的总经理Lan Foley对此进行了解释,当研究人员将该类材料应用于电子设备时,可有效提升其技术先进性,并提供更高的功率水平、更低的功率损失。

  据Foley所言,在1款典型的高性能电动轿车中,由1个SiC变频器带来的相关效率可以使电池尺寸减小至少10%,并使电池质量减轻约40~50 kg。就系统效率而言,1款SiC变频器可带来显著优势,1台电动汽车可以使用1块更小的电池,并且可以减少对锂的依赖。

  未来,Equipmake公司将针对商用车行业发布新款高性能SiC变频器。Foley提到,SiC变频器目前还未在汽车市场上得以广泛应用,但研究人员预测到2024年,匹配SiC变频器的电动汽车的保有量将超过采用传统IGBT的电动汽车。到2030年,所有电动汽车中的95%将使用SiC变频器。该类材料有着广阔的市场,并且正在持续增长。

  碳纳米管

  目前,法国的NAWA Technologies公司已经开发了1项具有全新突破性的材料解决方案。据该公司的研究人员所言,其可用于定向碳纳米管阵列(VACNT)的解决方案,并且能显著提升电动汽车的性能。

  NAWA Technologies公司创始人、董事会主席、首席技术官(CTO)和首席运营官(COO)Pascal Boulanger对此提到,在NAWA公司最新的技术方案中,每个细微管的直径与长度之间存在一定的比例关系,当其直径为5 nm时,其长度为等量的1 km。在实际研究过程中,纳米管以1种难以想象的密集方式布置,每平方厘米内布设有约1 000亿个碳纳米管,这种布置方式是技术研发的关键所在。与由非均匀粉末材料制成的标准电池作比较,这种直管使电荷更容易进出,并使系统性能大幅提升,并且提供了1个更加健全的结构。

  据Boulanger所言,目前业界对VACNT的应用较为广泛。在NAWA的技术方案中,应用包括超级电容,如NAWACap,其可以提供相比现有技术更强的能量储存方案。在复合材料中,纳米管作为1个层间层,可以有效提升系统强度。

  研究人员对电极进行了特别评判,因为VACNT可使电荷更易于实现自由移动,并且对能量储存和功率大有好处。NAWA的VACNT基础的系统,被称为超快碳电极(UFCE),并且可以应用到任何电池类型中,同时能够达到300%的能量密度。根据一些客户所获得的结果,该项措施能实现更快的充电过程,并能相应增加电池寿命。对于电动汽车而言,UFCE可以实现长达960 km的续航里程。

  由于VACNT提供了1个更加直接的阳极或阴极结构,并且混合了1种与锂性质较为相近的活性材料,离子输送电荷的路径可以进一步缩短,由此对该传导过程进行了加速。NAWA的UFCE技术最早将于2022年投入市场。目前,电池制造商Saft正在与NAWA进行合作,来对该项技术进行试验。作为欧洲电池联盟的成员,Saft已与PSA和雷诺开展了合作。

  结构材料

  来自瑞士査尔姆斯理工大学(Chalmers University of Technology)和瑞典皇家理工学院(KTH Royal Institute of Technology)的研究团队正在探索结构电池的使用。在2021年3月,该团队宣布已生产出1种结构电池,性能表现优于所有早期的同类产品。

  査尔姆斯理工大学的项目负责人Leif Asp教授对此提到,结构电池的1项重要优点是其可被视为1个零质量的能量储存系统。当前,电动汽车电池本质上是1类结构寄生组织,并不利于电动汽车结构的优化。根据相关计算表明,这种多功能电池类型能够最大化地减小1台电动汽车的质量。

  结构电池包含有同时充当电极、导体和承载负荷材料的碳纤维。负极由碳纤维制成,正极由铝箔涂层的磷酸铁锂制成。在电解质基质中,该类物质可通过玻璃纤维织物进行分离。

  据査尔姆斯理工大学的相关研究人员所言,该款电池的能量密度为24 (W·h)/kg,与现阶段可用的锂离子电池相近,其意味着能使容量提升约20%。目前,该研究团队正在从事1个全新项目。该项目由瑞士国家航天局资助,研究目的旨在进一步提升结构电池的性能。

  Asp继续提到,铝箔将被碳纤维替代,在正极中作为负荷承载材料,提供更强的刚度和更高的能量密度。玻璃纤维分离器将被1个超薄版本替代,其将具有更好的效果,以及更快的充电循环。新项目期望在2年内完成,电池预计可以具有75(W·h)/kg的能量密度和75 GPa的刚度。

  作者:HELEN NORMAN

  整理:王少辉

  编辑:伍赛特


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