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電動汽車如何做到“充電五分鐘，續航五百里”？

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電動汽車如何做到“充電五分鐘，續航五百里”？



出品：科普中國
制作：王一豐（中科院青島生物能源與過程研究所先進電池正極材料研究組）
監制：中國科學院計算機網絡信息中心
近年來清潔能源汽車發展迅速 ， 以特斯拉為首的電動汽車企業推出了多款科技感十足的電動汽車 。 通過不斷的技術革新 ， 電動汽車性能得到了極大的提升 ， 電動汽車也從概念產品逐漸進入人們的生活 。
電動汽車（圖片來源：Veer圖庫）
電動汽車符合科技進步和時代發展的潮流 ， 被越來越多的人們喜愛和接受 。 然而目前電動汽車與燃油汽車相比 ， 還存在著續航里程短 ， 充電速度慢 ， 成本高等問題 。 解決問題的關鍵在于電動汽車的“油箱”——動力電池 ， 可以說動力電池決定了電動汽車的生命力和競爭力 。 目前 ， 作為能源儲存體系之一的鋰離子電池主導了動力電池的發展 ， 這是因為其具有高電壓、高能量密度、長壽命和安全性較好的優點 。
什么是鋰離子電池呢？
鋰離子電池是一種可反復充放電的二次電池 。 他的主要組成部分有：正極、負極、隔膜和電解液 。 如下圖所示 ， 充電時鋰離子從正極脫出 ， 經過電解質進入到負極 ， 同時釋放的電子從外部電路轉移至負極 ， 維持電荷平衡；放電時鋰離子從負極脫出 ， 經過電解質進入正極 ， 而電子從負極經外部電路到達正極 。 在每一次充放電循環過程中 ， 鋰離子(Li+)充當了電能的搬運載體 ， 周而復始的從正極→負極→正極來回的移動 ， 與正、負極材料發生反應 ， 將化學能和電能相互轉換 ， 實現了電荷的轉移 ， 這就是鋰離子電池的基本原理 。
鋰離子電池工作原理圖 （圖片來源：John B. Goodenough ， 2013）
容易“激動”的正負電極
鋰離子電池能將電能和化學能相互轉換進而實現能量的存儲和釋放 ， 條件之一是正負極的材料要活潑 ， 要容易氧化和還原 ， 要很“容易”參與化學反應從而實現能量轉換 。 其二是需要存在有電位差的正負極材料來實現電荷移動 。 經過長期的研究和探索 ， 人們找到了幾種鋰的金屬氧化物 ， 如鈷酸鋰、鈦酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元等材料 ， 作為電池正極活性物質 。
負極通常選擇石墨或其他碳材料做活性物質 ， 也是遵循上述的原則 ， 既要求是好的能量載體 ， 又要相對穩定 ， 還要有相對豐富的儲量 ， 便于大規模制造 ， 碳元素就是一個相對優化的選擇 。
“放電”也需分場合
如上所述 ， 鋰離子通過電解質流動 ， 而反應產生的電子通過外部電路做功 。 因此 ， 電池系統必須保證鋰離子和電子的流動 ， 也就是說 ， 它必須是一個好的離子導體和一個電子導體 。 許多電化學活性材料都不是良好的電子導體 ， 因此需要添加一些導電材料 ， 如炭黑 。 為了將電極材料和導電劑固定在一起 ， 還需要添加一些粘合劑 。 在這種情況下 ， 電化學反應只能發生在活性物質、導電劑和電解質相遇的地方 。
雖然鋰離子流經電解質 ， 但正極和負極必須在物理上分開 。 為了防止短路造成能量的劇烈釋放 ， 就需要用一種材料將正負極“隔離”開來 。 這要求材料具有良好的離子通過性 ， 能給鋰離子開放通道 ， 讓其可以自由通過 ， 同時又是電子的絕緣體 ， 以實現正負極之間的絕緣 。 目前的鋰離子電池使用的是聚乙烯（polyethylene ， PE）、聚丙烯（polypropylene ， PP）制備成的多孔隔膜 。
電動汽車提升續航能力的瓶頸在哪？
對于手機、筆記本等電子設備來說 ， 能量存儲是關鍵 。 儲存的電量越多越好 ， 操作時間越久越好 。 而對于一些更大方面的應用 ， 如電動汽車中的電池 ， 除了對電池的能量密度有要求之外 ， 功率同樣重要 。 材料必須能夠快速提供電量以驅動汽車 ， 并在電量耗盡時能夠進行快速地充電 。

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