电动汽车电池正在酝酿一场革命

日本汽车制造商丰田去年表示，它的目标是在2027-28年发布一款可以行驶1000公里并在10分钟内充电的汽车，使用一种将液体成分换成固体成分的电池类型。

中国制造商宣布了 2024 年的廉价汽车，其电池不是基于为当今最好的电动汽车 （EV） 提供动力的锂，而是基于廉价的钠——地壳中最丰富的元素之一。

美国一家实验室用一种部分在空气中运行的梦幻细胞让世界感到惊讶1并且可以提供足够的能量来为飞机提供动力。

这些公告和其他公告依赖于几十年来一直主导电动汽车的传统锂离子电池的替代设计。尽管锂离子很难被击败，但研究人员认为，一系列选择将很快填补市场的不同利基市场：有些非常便宜，有些则提供更多的功率。“我们将看到市场多样化，”加州大学伯克利分校的材料科学家Gerbrand Ceder说。

对更好的汽车电池的追求是激烈的，很大程度上是因为市场正在飞速发展。十几个国家已经宣布，到2035年或更早，所有新车都必须是电动汽车。国际能源署预测，到2030年，全球道路上的电动汽车存量将从2021年的1650万辆增加到近3.5亿辆（见 go.nature.com/42mpkqy），到2050年，电动汽车电池对能源的需求将达到14太瓦时（TWh），是2020年的90倍。

汽车电池有严格的要求清单。它们需要将大量能量装入尽可能少的材料和重量中，以便汽车一次充电可以行驶得更远。它们需要提供足够的加速功率，快速充电，使用寿命长（通用标准是承受 1,000 次完整充电循环，消费者应持续 10-20 年），在宽温度范围内工作良好，并且安全且价格合理。“很难同时优化所有这些东西，”加拿大滑铁卢大学的电池研究员Linda Nazar说。

因此，研究人员正在寻求大量的选择，并考虑不同的目标。美国能源部 （DoE） 于 2017 年启动的 Battery500 计划的目标是将电池能量密度提高到每公斤 500 瓦时 （Wh kg–1），与当今最好的产品相比，提升了 65%。美国高级研究计划署（US Advanced Research Projects Agency）去年启动的PROPEL-1K计划雄心勃勃地瞄准了1000 Wh kg–1.至于成本，美国能源部车辆技术办公室的目标是到2030年达到每千瓦时60美元，约为目前价格的一半，它认为这意味着电动汽车的价格将与耗油汽油发动机的成本持平（参见“加油”）。

The new car batteries that could power the electric vehicle revolution (nature.com)

很难确定事情的进展情况。关于尚未发布的电池或汽车的商业公告有时会强调一个指标而不是其他指标，并且在电池在现实世界的汽车中经过多年测试之前，专有声明可能无法进行检查。但很明显，几十年来对固态电池和钠电池等变体的研究终于取得了成果，纳扎尔说。至于遥远的未来，大量的电池化学成分仍然是诱人的可能性。“现在每个人都接受了电池开发真的很重要，每个人都在绊倒自己，”她说。

电极演变

电池实际上是化学三明治，其工作原理是通过一些中间材料（电解质）将带电离子从一侧（阳极）穿梭到另一侧（阴极），而电子则在外部电路中流动。给电池充电意味着将离子分流回阳极（参见“电池的工作原理”）。

锂离子电池原理图

如今，大多数电动汽车都使用锂离子电池的某种变体。锂是元素周期表中第三轻的元素，具有反应性外电子，使其离子成为巨大的能量载体。锂离子在通常由石墨制成的阳极和由金属氧化物制成的阴极之间移动，两者都在原子层之间承载锂离子。电解质通常是有机液体。

自 1991 年第一个商业产品以来，锂离子电池已经有了很大的改进：电池能量密度几乎增加了两倍，而价格却下降了一个数量级3.“锂离子是一个强大的竞争对手，”Ceder说。随着进一步改进的空间，有人说锂离子将在很长一段时间内成为王者。“我认为锂离子将在几十年内成为电动汽车的动力技术，因为它足够好，”最近在加利福尼亚州洛斯阿尔托斯退休的科学家Winfried Wilcke说，他从2009年到2015年领导了IBM研究院的电池项目。

到目前为止，锂离子的大部分改进都来自阴极材料的变化，从而产生了多种商业电池类型。一种在笔记本电脑中很受欢迎，它使用钴酸锂，它生产相对较轻但昂贵的电池。其他在许多汽车中流行的，使用镍和钴与铝或锰的混合物作为稳定剂（NCA 和 NCM）。然后是磷酸铁锂（LFP），它没有昂贵的钴和镍，但到目前为止能量密度相对较差（参见“锂离子电池类型”）。磷酸铁锂的价格使其具有吸引力，许多研究人员和公司正在努力改进它。美国电动汽车制造商特斯拉在 2021 年特别决定在其中档汽车中改用磷酸铁锂电池。

阴极还有更多调整的余地。在NCM电池中，研究人员一直在削减更昂贵的钴，转而使用镍，镍也提供了更高的能量密度。这条道路导致了镍含量为80%的商用NCM811电池阴极，研究人员现在正在研究镍含量为90%的NCM955。

同时，在阳极，一种常见的选择是将石墨换成硅，这种材料每重量可以储存十倍以上的锂原子。挑战在于，硅在充放电循环期间膨胀和收缩约300%，给电池带来很大的结构应变并限制其寿命。

比硅阳极更好的是锂本身。“你不会有任何浪费的材料，”位于弗吉尼亚州阿灵顿的美国能源部车辆技术办公室的化学工程师Brian Cunningham说。除了减轻重量外，这还可以加快充电速度，因为无需等待锂离子插入任何层之间（从技术上讲，这种变化使设计成为锂金属而不是锂离子电池）。但这种策略的一个大问题是，在充电过程中，锂往往会不均匀地重新沉积在阳极上，热点会形成称为枝晶的卷须，这些卷须可以通过电解质伸出并使电池短路。

从理论上讲，具有更好电极的锂基电池可以实现巨大的能量密度，但通常会在电池寿命或安全性方面进行权衡。去年，中国的一组研究人员报告了一种带有锂金属阳极（和一种富锂阴极）的电池，其重量超过700 Wh/ kg在实验室中。该集团在北京的初创公司WeLion New Energy的目标是开发和商业化这种电池，以及其他选择。另一个提供高能量密度的理想想法是锂硫 （LiS） 电池，具有锂金属阳极和硫阴极。但硫与锂反应生成可溶性产物，这些产物可以沉积在阳极上并杀死电池。LiS“已经尝试了30年，但它仍然面临重大挑战”，Ceder说。

由于这些麻烦困扰着具有更好电极的电池，许多人说最诱人的解决方案是用固体代替液体电解质。

实实在在的想法

固态电池的想法是使用陶瓷或固体聚合物作为电解质，它承载锂离子的通过，但有助于阻止枝晶的形成。这不仅使全锂阳极的使用更容易 - 具有随之而来的能量密度优势 - 而且摆脱易燃有机液体也意味着消除可能导致火灾的危险。Nazar说，固态电池的电池结构比液体电池更简单。从理论上讲，固体电池在低温下（因为在寒冷时没有液体会变得更粘稠）和高温下（因为与电极的接口在热时不会受到太大影响）都工作得更好。

但也存在挑战：特别是如何在各层之间制造一个光滑、完美的界面。此外，离子通过固体的传输往往比通过液体慢，从而限制了功率。固态电池需要一种全新的制造工艺。“从我们所看到的，它们会更贵，”Ceder说。

“固态技术前景广阔。没问题。但要做到这一点是非常困难的，“威尔克说。

一些电池公司正在推进固态电池的发展。例如，总部位于科罗拉多州路易斯维尔的Solid Power公司（与汽车制造商宝马和福特合作）已经开始中试生产一种带有硅基阳极的固态电池，据称该电池的重量达到390 Wh /kg，总部位于加利福尼亚州的QuantumScape（已与包括大众汽车在内的制造商签署了协议）拥有一种固态电池，该电池具有锂阳极的优势，具有重量更轻，无阳极的设计。锂金属聚集在阳极侧，但不需要从那里开始锂板。其中一些电池细节是专有的。QuantumScape已经发布了一些原型性能数据，但没有说明其电解质是由什么制成的，或者其预期的第一个商业产品的能量密度是多少。Ceder说，总的来说，被吹捧的固态电池的更高能量密度“今天在任何商业规模上都没有得到证实”。

由固态电池驱动的实际汽车似乎永远在地平线上：例如，丰田最初在2020年代初将其商业化的目标日期现在已经推迟到2020年代末。说到电池，“丰田在过去十年里说了很多话，但没有一个实现，”Ceder警告说。但纳扎尔认为，这个时间框架总体上是现实的。“我相信，到2025年，我们可能会看到其中一些细胞的市场入侵，”她说，特别是考虑到有一些雄心勃勃的中国公司参与了此案。其中包括全球最大的电池制造商宁德时代（CATL）。

与此同时，许多研究人员正在寻求改善固态的方法。德国慕尼黑工业大学的化学家詹妮弗·鲁普（Jennifer Rupp）在慕尼黑创立了一家名为QKera的公司，该公司生产陶瓷电解质的温度是通常1000°C的一半。这既有助于限制制造过程中使用的熔炉的二氧化碳排放，也有助于解决电解液与阴极结合的一些问题。纳扎尔说，另一个有前途的角度是用于固态电池的一类新型卤氧化物电解质。其中一些是“粘糊糊的”，因此更灵活，这应该有利于制造并使它们不易开裂。有些具有极高的电导率，让锂离子像通过液体而不是固体一样放大，并具有相关的功率优势。Cunningham说，其他公司正在开发LiS的固态版本。

许多人说，这个固态彩虹末端的“一桶金”电池将是一种锂空气设计。这种电池使用锂金属阳极，阴极基于锂与氧气的结合，氧气从空气中拉出，并在电池充电时再次释放。部分原因是关键的阴极成分没有储存在电池中，这种设计每公斤可以容纳更多的能量。但长期以来，这个想法似乎是推测性的。“我的一些同事称之为童话般的化学反应，”纳扎尔说。

伊利诺伊州莱蒙特市阿贡国家实验室的材料科学家拉里·柯蒂斯（Larry Curtiss）和他的同事在2023年登上了头条新闻，发表了一篇令人惊讶的论文，展示了一种固态实验性锂空气电池在实验室中测试了1000多次循环1。该团队表示，其硬币大小的测试单元运行速度约为685 Wh/ kg并且应该能够达到 1,200 Wh/ kg，是现在锂离子电池的四倍，与汽车汽油的能量密度大致相当。该实验系统使用一种新的化学方法工作，甚至让研究它的团队感到惊讶。以前的锂空气电池项目，通常使用液体电解质，制成超氧化锂（LiO2）或过氧化锂（Li2O2）在阴极，每个氧分子存储一个或两个电子。新电池反而制造氧化锂（Li2O），可以容纳四个。这些额外的电子转化为更高的能量密度，并且该系统似乎比以前的努力更稳定，这应该会导致更长的电池寿命。

一名员工在中国南京的一家车间从事电动汽车电池系统的工作。

“他们的所作所为令人难以置信，”威尔克说。“他们可以使用普通的肮脏空气，里面有水分和二氧化碳，以及你在未经过滤的空气中发现的所有其他垃圾。没问题，“威尔克说。但许多人表示，他们希望在过于兴奋之前看到这种努力得到复制。尽管它是一个很棒的储能系统，但目前尚不清楚它在实践中是如何工作的——例如，如何让空气进出，以及它是否可以建造得更大并使其在更高的电流下工作。“这绝对是一个比锂硫更长的时间跨度，”坎宁安说。

柯蒂斯说，该团队正在考虑将航空作为该技术的最佳应用，因为它的能量密度如此之高。威尔克对此表示赞同。威尔克说，能量密度是“飞机中一个巨大的因素”，他特别看好电动垂直起降艇，预计将被用作“飞行出租车”。如果这听起来像是科幻小说，那么2023年10月，一辆电动空中出租车获得了在中国飞行的许可——即使没有飞行员，还有几家公司制造了可以用锂离子电池飞行几百公里的飞行器。威尔克说，空中出租车可以跳过从机场到酒店的交通，这是一个即将起飞的新兴行业。 

降价

随着对具有更多能量的奇迹电池的追求继续，一些科学家认为，最紧迫的问题是需要选择一种从长远来看既便宜又可持续的电池化学成分。

“最大的挑战与资源有关，”Ceder说，他计算出，到2050年，预计汽车所需的14 TWh将需要1400万吨金属总量。相比之下，目前全球锂的开采量约为每年 130,000 吨，而钴接近 200,000 吨，镍为 330 万吨——这适用于所有用途，包括非电动汽车电池和镍、不锈钢。所需的数量使得选择不稀缺或昂贵且在开采时不会对环境造成过度破坏的金属变得很重要。

许多研究人员和公司正试图制造不使用镍、钴或其他昂贵金属的电池。例如，QuantumScape 表示，它的电池具有这种优势，锂空气概念、LiS（如果它可以工作的话）、其他实验材料也是如此7以及已经商业化的LFP阴极（尽管如果该技术大幅扩大规模，LFP可能会给磷资源带来压力）。Ceder正在研究称为无序岩盐（DRX）的替代阴极8.这些依赖于锂离子可以蜿蜒穿过晶体阴极而不是通过层的有序路径的想法，因此阴极几乎可以用任何过渡金属制成。Ceder的团队偏爱锰和钛。他预计，首批采用DRX阴极的电池将比目前的锂离子电池便宜，并达到相当的能量密度。

也许最终目标是摆脱锂本身——由于需求和供应的蓬勃发展，锂的价格出现了剧烈波动。例如，在 2022-23 年，电池级碳酸锂价格短暂飙升，比平时高出六倍。

研究人员已经尝试用许多其他电荷载体（包括镁、钙、铝和锌）代替锂，但钠的研究是最先进的。钠位于元素周期表中锂的正下方，使其原子更重更大，但具有相似的化学性质。这意味着锂电池开发和制造中的许多经验教训可以复制到钠电池上。钠更容易获得：它在地壳中的含量大约是锂的 1,000 倍。“钠的含量令人难以置信，”Ceder说，他认为钠电池最终的成本可能在每千瓦时50美元左右。

钠电池已经在生产中（见 go.nature.com/3tnwdgt）。中国企业集团比亚迪（BYD）于2024年初取代特斯拉成为全球最大的电动汽车制造商，其第一家钠离子电池工厂已经破土动工。中国汽车制造商奇瑞（Chery）、捷时捷威（JMEV）和江淮汽车（JAC）都宣布了今年在中国的阵容中采用钠离子电池的廉价汽车。这些小型车的标价预计在 10,000 美元左右。

从好的方面来说，钠的较大原子尺寸为可用于阴极层状金属氧化物的金属提供了更多选择，Ceder说：“有更多的化学灵活性。研究人员也可以用钠制造无阳极固态电池 - 这是一个诱人的可能性，Nazar说。

但与锂相比，钠的重量更重，因此从根本上更难达到高能量密度。也没有那么多时间来开发最好的电极和电解质——钠离子电池的能量密度现在大致与十年前最好的锂离子电池相当。宁德时代的钠电池能量密度达到 160 Wh kg–12021 年，报告价格为每千瓦时 77 美元;该公司表示，这将增加到 200 Wh kg–1在其下一个模型中。这些较低的能量密度意味着范围是有限的。预计使用钠电池的超紧凑型汽车宣传的续航里程约为 250-300 公里，而锂动力特斯拉 Model S 的续航里程接近 600 公里。

“它需要化学进步才能达到美国汽车市场所需的水平，”坎宁安说，消费者习惯于更长的驾驶时间和更大的汽车。

一些公司，包括总部位于英国的 Faradion 和瑞典的 Northvolt，正在推广他们的钠电池（也都宣传为 160 Wh kg–1）为电网储存多余的可再生能源，其中钠的重量问题不那么重要。

猜测和测试

电池开发是繁重的，因为材料的行为并不总是可预测的。例如，Rupp说，目前研究人员需要8-15年的时间才能提出新的固态电解质设计并优化规格，包括使用哪些添加剂以及如何包装高密度的锂。Rupp 说：“这让我作为一名材料科学家在退休前多了两个半的材料要研究。“这太慢了”。

人工智能 （AI） 和自动合成提供了帮助，这有助于更快地探索更多选择。例如，位于华盛顿州里奇兰的美国能源部太平洋西北国家实验室正在与Microsoft合作，以迅速开发新的电池材料;以这种方式发现的锂钠固体电解质现在正在初步测试中。

但是，这些人工智能策略受到化学家必须输入的信息的限制，Nazar说。她说，关于电极和电解质材料界面的原子水平上实际发生了什么，还有很多未知数。

最后，专家表示，我们可能会看到未来汽车的一系列电池 - 就像我们今天拥有2缸，4缸和6缸发动机一样。例如，我们可能会看到用于低档汽车、叉车或专业车辆的钠电池或 LFP。然后可能会有改进的锂离子电池，也许使用硅阳极或岩盐阴极，用于中档汽车，或者固态锂电池将取代这一类。然后可能是用于高端汽车或飞行出租车的锂空气电池。但还有很多工作要做。“今天所有没有商业化的不同化学品都有其优点和缺点，”坎宁安说。“我们的工作是消除所有这些缺点。