硅阳极材料，或让电动车续航迈入1000公里时代

　　编译：李忠东

　　“里程焦虑”待破解

　　与传统的燃油汽车相比，电动汽车的优势不言自明。在连续几年高速发展的刺激下，电动车在能源清洁方面的优势越发明显地突显出来。随着电动汽车的出现，原本燃油汽车存在的污染问题逐渐开始得到解决。除了环保因素，电动汽车没有变速器，驾驶和保养更简单，使用成本低廉。电动汽车代表了汽车业的未来，这几乎已是业界共识。

　　然而即便如此，电动汽车在大部分时候依旧无法撼动燃油车的地位。究其原因，在于燃油车大部分满油里程都在300英里（约482公里）以上，即便是微型车，也有250英里（402公里）左右的续航能力，并且即便油箱耗尽，充满也只需要数分钟。在如今加油站部署完善的大背景下，给车加油大多数时候都比充电方便。

　　目前，在长途出行方面，电动汽车不及燃油汽车。电动汽车电池允许的行驶里程大多无法满足人们驾车旅行的距离要求，无法规避“里程焦虑”。电动汽车使用必须首先解决充电问题，否则就有可能中途搁浅。即便是快充，充满也需要1~2小时。虽然电动汽车的技术已达到车主可在家里自行充电，但公共充电站网络的建设尚需要时间。

　　电动汽车行驶里程取决于很多因素，对天气、路面条件、驾驶习惯、乘坐人数的敏感度要比传统汽车大得多。因此，电动汽车一次充电后实际可行驶里程数有很大的不确定性。

　　如今的电动汽车平均最大续航里程为300英里，即使是续航里程较长的电动汽车Lucid Air Dream Edition，也会在行驶500英里（约805公里）后耗尽电量。该车由电动汽车初创公司 Lucid Motors研制生产，得到了美国环境保护署（EPA）评定的520英里续航里程，比特斯拉最长续航里程车型Model S多出100多英里，成为当时该机构评定的续航里程最长的电动汽车。这也代表着Lucid Motors首席执行官兼首席技术官彼得·罗林森的胜利，他在特斯拉工作时领导了Model S的开发，并表示Lucid Air Dream Edition将在范围、豪华、加速度和价格方面超越埃隆马斯克的公司。

　　Lucid Air Dream Edition的113kWh电池组及其空气动力学设计有助于实现车辆令人印象深刻的续航里程，EPA评级旨在展示Lucid Air Dream Edition在该机构测试过程的特定条件下的性能对照。该机构在其网站上表示：“EPA估计，电动汽车的续航里程旨在成为消费者比较车辆时的一般指南。就像汽油车的‘里程数可能会有所不同’一样，电动车的里程数也会有所不同。”

　　EV范围由EPA以及欧洲的全球统一轻型车辆测试程序（WLTP）独立确定。EPA还对各种装饰级别进行了评级，例如带有21英寸轮毂的Dream Edition（481英里）、带有19英寸轮毂的Dream Edition Performance（行驶471英里，21英寸轮毂行驶451英里）和Grand Touring（19英寸车轮行驶516英里，21英寸车轮行驶469英里）。

　　微硅阳极延长一倍续航

　　要从技术领域解决使用者的“里程焦虑”问题，关键在于突破电池的技术瓶颈。最近一项新技术有望解决电动汽车的“燃眉之急”，虽然不能实现更快速度的充电，但是却有办法让电动汽车续航延长一倍，使其具备新的行驶优势。根据1月出版的德国《先进科学》杂志上发表的研究报告，研究人员利用微小的硅颗粒和凝胶电解质，开发出锂离子电池中硅阳极的高充电能力，理论上可以让锂电池的能量密度提升约40%，在获得更大电容量的同时保持高效的电量传输。新的电池技术能够让电动汽车的续航里程超过620英里（约1000公里），车主的“里程焦虑”可能很快就会成为过去。

　　这项新技术的出现，解决了一个电池发展的重要难题——膨胀体积造成电池损坏，这可能意味着延长消费类电子设备的电池寿命。目前大多数锂离子电池使用石墨阳极，事实上，硅凭借10倍于石墨阳极的锂离子容纳能力，很早就成为锂离子电池阳极的候选材料。之所以一直没有发展起来，是因为硅充电时会产生明显的体积膨胀，满电情况下大概能够达到原本的3倍，这种现象很容易损坏电池，造成安全问题。虽然使用纳米级硅可以缓解这个问题，但制作这种系统需要复杂且昂贵的生产工艺。

　　科学家用电子束照射凝胶基聚合物，使微米级硅颗粒与电解质之间形成共价键，以便使这种硅凝胶电解质系统发挥作用。通过连接阳极和电解质，凝胶的弹性特性能够吸收和消散硅膨胀的内应力。凝胶电解质还可以减轻硅膨胀时发生的一些开裂现象，从而提高硅电极的结构稳定性。从理论上讲，这将延长锂离子电池的使用寿命。

　　新技术使得电池在容纳的锂离子数量得到提升的同时，又能有效地避免体积膨胀造成电池老化损坏情况的发生，不但能够提高硅电极的结构稳定性，而且可以完成能量密度的提升，不会影响导电性。由于微米级颗粒比纳米级颗粒大1000倍，这种新的电池系统为制造无需高昂生产成本的高电荷容量的硅阳极铺平了道路。

　　韩国浦项理工大学的化学教授朴秀珍是该研究报告的作者之一，他在一份声明中说：“我们使用了微硅阳极，但获得了一个稳定的电池系统。即使在经历了超过3500次充电循环后仍能保持出色性能，而且还能实现快速充电，仅需2分钟即可恢复约88%的原始容量。这项研究使我们离真正的高能量密度锂离子电池系统更接近了一步，其离子电导率与使用液体电解质的电池相似。这意味着锂离子电池可以容纳更多带正电荷的离子——本质上具有更大的电容量，同时保持高效的电量传输。这种整合策略只涉及电子束的使用，可以很容易地应用到现有的电池生产线上。与纳米级的硅颗粒相比，微米级的硅颗粒系统可能更具成本效益，且几乎可以立即适应现今的生产方式。”

　　从理论上说，这项新技术适用于大部分锂电池供电的电子产品。不过现阶段还只是停留在实验室研发阶段，一个根本问题需要解决，就是成本。不过与此前关注程度颇高的纳米硅颗粒相比，这种技术已经展现出了不错的成本效益。这种整合策略只涉及电子束的使用，和现在的主流生产线生产模式适配性更高。或许未来，随着技术的成熟与转化，这种更高能量密度的锂电池真的会出现在电动汽车上。除了电池，这种凝胶电解质还可以广泛应用于柔性电路、显示屏、能量存储等领域。

　　（编译自www.livescience.com,16 February 2024）