效能更強——電動汽車材料創新技術解析

研究、開發及利用全新的材料將如何改變電動汽車的未來，並對其效能改進？本文將帶您一探究竟。

隨著技術的不斷髮展，電動汽車行業對關鍵原始材料的需求正在增加，並且這種需求增長的主要關注點為一些在電池製造過程中使用的重要材料，如鈷、鋰、錳和石墨。

牛津大學材料系的材料科沃夫森教授（Wolfson），法拉第研究所（Faraday Institution）首席科學家，法拉第調研固態電池SOLBAT專案的主要研究者Peter Bruce提到，對於在電動汽車中使用的大多數材料而言，行業目前面臨的最大的問題不是其可利用性，而是其成本和供應鏈安全性。

由於這些關鍵材料的儲量主要集中在少數國家，因此其價格得以進一步提升，行業普遍對供應鏈的中斷現象持負面態度。因此，不少研究人員目前已經開始尋找能維持供應鏈安全，並且成本較為低廉的全新材料。

在電動汽車電池的開發程序中，1項最重要的推動因素是對鈷材料的使用。據Bruce所言，目前行業更趨向於使用富錳材料，因為其成本效益更高。Bruce本人正在法拉第研究所從事SOLBAT專案的研究，旨在開發出1款新型全固態電池，其中將可看到電芯中的液態電解質被固體所替代。在SOLBAT專案中，研究人員計劃使用傳統電池中的負極材料。雖然研究人員將會使用鋰金屬作為負電極，但對於固態電解質而言，還有許多其他材料可供選擇。這些備選材料大體上可分2個類別——氧化物和硫化物。

負責SOLBAT專案的研究團隊正致力於尋找針對固態負極的最佳解決方案。研究團隊將使用化學方法和電腦模型來完成不同的化學試驗，以找到1個為固態電極提供優良特性的解決方案。

法拉第研究所也在使用鐵鈉材料來開發電池。鈉的供應量非常充足，並且其成本效益高於鋰。Bruce補充道，鈉的1項優勢是可以將鋁作為集流體。在鐵鋰材料中，研究人員需要使用銅作為負電極，銅比鋁更貴。目前，研究人員也在使用低成本碳開展研究，該類材料具有輕量化的特點。除了上述材料以外，矽是當前有望在電動汽車中得以使用的另1種材料。

矽變頻器

電驅傳動系統解決方案提供者Equipmake公司的相關研究人員認為，碳化矽（SiC）對電動汽車具有顯著益處。Equipmake公司的總經理Lan Foley對此進行了解釋，當研究人員將該類材料應用於電子裝置時，可有效提升其技術先進性，並提供更高的功率水平、更低的功率損失。

據Foley所言，在1款典型的高效能電動轎車中，由1個SiC變頻器帶來的相關效率可以使電池尺寸減小至少10%，並使電池質量減輕約40～50 kg。就係統效率而言，1款SiC變頻器可帶來顯著優勢，1臺電動汽車可以使用1塊更小的電池，並且可以減少對鋰的依賴。

未來，Equipmake公司將針對商用車行業釋出新款高效能SiC變頻器。Foley提到，SiC變頻器目前還未在汽車市場上得以廣泛應用，但研究人員預測到2024年，匹配SiC變頻器的電動汽車的保有量將超過採用傳統IGBT的電動汽車。到2030年，所有電動汽車中的95%將使用SiC變頻器。該類材料有著廣闊的市場，並且正在持續增長。

碳奈米管

目前，法國的NAWA Technologies公司已經開發了1項具有全新突破性的材料解決方案。據該公司的研究人員所言，其可用於定向碳奈米管陣列（VACNT）的解決方案，並且能顯著提升電動汽車的效能。

NAWA Technologies公司創始人、董事會主席、首席技術官（CTO）和營運長（COO）Pascal Boulanger對此提到，在NAWA公司最新的技術方案中，每個細微管的直徑與長度之間存在一定的比例關係，當其直徑為5 nm時，其長度為等量的1 km。在實際研究過程中，奈米管以1種難以想象的密集方式佈置，每平方釐米內佈設有約1 000億個碳奈米管，這種佈置方式是技術研發的關鍵所在。與由非均勻粉末材料製成的標準電池作比較，這種直管使電荷更容易進出，並使系統性能大幅提升，並且提供了1個更加健全的結構。

據Boulanger所言，目前業界對VACNT的應用較為廣泛。在NAWA的技術方案中，應用包括超級電容，如NAWACap，其可以提供相比現有技術更強的能量儲存方案。在複合材料中，奈米管作為1個層間層，可以有效提升系統強度。

研究人員對電極進行了特別評判，因為VACNT可使電荷更易於實現自由移動，並且對能量儲存和功率大有好處。NAWA的VACNT基礎的系統，被稱為超快碳電極（UFCE），並且可以應用到任何電池型別中，同時能夠達到300%的能量密度。根據一些客戶所獲得的結果，該項措施能實現更快的充電過程，並能相應增加電池壽命。對於電動汽車而言，UFCE可以實現長達960 km的續航里程。

由於VACNT提供了1個更加直接的陽極或陰極結構，並且混合了1種與鋰性質較為相近的活性材料，離子輸送電荷的路徑可以進一步縮短，由此對該傳導過程進行了加速。NAWA的UFCE技術最早將於2022年投入市場。目前，電池製造商Saft正在與NAWA進行合作，來對該項技術進行試驗。作為歐洲電池聯盟的成員，Saft已與PSA和雷諾開展了合作。

結構材料

來自瑞士査爾姆斯理工大學（Chalmers University of Technology）和瑞典皇家理工學院（KTH Royal Institute of Technology）的研究團隊正在探索結構電池的使用。在2021年3月，該團隊宣佈已生產出1種結構電池，效能表現優於所有早期的同類產品。

査爾姆斯理工大學的專案負責人Leif Asp教授對此提到，結構電池的1項重要優點是其可被視為1個零質量的能量儲存系統。當前，電動汽車電池本質上是1類結構寄生組織，並不利於電動汽車結構的最佳化。根據相關計算表明，這種多功能電池型別能夠最大化地減小1臺電動汽車的質量。

結構電池包含有同時充當電極、導體和承載負荷材料的碳纖維。負極由碳纖維製成，正極由鋁箔塗層的磷酸鐵鋰製成。在電解質基質中，該類物質可透過玻璃纖維織物進行分離。

據査爾姆斯理工大學的相關研究人員所言，該款電池的能量密度為24 （W·h）/kg，與現階段可用的鋰離子電池相近，其意味著能使容量提升約20%。目前，該研究團隊正在從事1個全新專案。該專案由瑞士國家航天局資助，研究目的旨在進一步提升結構電池的效能。

Asp繼續提到，鋁箔將被碳纖維替代，在正極中作為負荷承載材料，提供更強的剛度和更高的能量密度。玻璃纖維分離器將被1個超薄版本替代，其將具有更好的效果，以及更快的充電迴圈。新專案期望在2年內完成，電池預計可以具有75（W·h）/kg的能量密度和75 GPa的剛度。

作者：HELEN NORMAN

整理：王少輝

編輯：伍賽特