不止锂电池，汽车电池还有更多可能

在全球能源转型和汽车电气化的浪潮下，电池技术与可持续材料的创新正成为推动行业变革的核心力量。随着电动汽车（EV）市场的快速扩张，传统锂离子电池面临诸多挑战，如能量密度、充电速度、循环寿命以及环境影响。与此同时，汽车制造商们和各科研机构正积极探索新的电池架构、材料技术和回收再利用方案，以提高电池性能并降低生产成本和环境负担。  

图片来源：三星SDI

本文将围绕四个关键领域展开讨论：新型电池技术、先进材料的创新应用、清洁能源发展，以及循环经济下的可持续汽车制造。这些突破不仅有助于提升电动车续航能力和安全性，还将推动整个汽车产业链向更加绿色、低碳的方向发展。 

一、新型电池技术的突破

电池技术的不断进步是电动汽车行业发展的核心动力。科学家和工程师们正围绕超快速充电、高能量密度、固态电池以及低成本环保电池展开研究，以推动电池技术迈向更高效、更安全的未来。

1.1 超快速充电与高能量密度电池

电动汽车的发展离不开电池技术的突破，而更高能量密度和更快的充电速度成为未来的关键发展方向。研究人员正在积极探索如何提高电池的续航能力，并减少充电等待时间，以满足市场需求。

• 莫纳什大学：超快速充电锂硫电池

受到一种常见的家用消毒剂碘伏的化学原理的启发，莫纳什大学研究人员利用硫的独特化学性质制造出一种更安全、更高效的电池。借助新催化剂，研究人员克服了商业化的最后障碍之一——充电速度，使其成为现实世界中重型使用的可行电池选择。

图片来源：莫纳什大学

新型电池的能量密度是传统锂离子电池的两倍，同时重量更轻、价格更实惠，或可为长途电动汽车和商用无人机供电。

研究团队继续创新，目前正在改进新的添加剂，有望进一步加快充电和放电时间，同时减少所需锂的数量。

• 达尔豪斯大学：采用单晶电极的新型锂离子电池

达尔豪斯大学（Dalhousie University）的研究人员利用萨斯喀彻温大学（University of Saskatchewan）的加拿大光源（CLS）分析了一种新型锂离子电池材料——单晶电极。

在达到80%的容量截止点之前，该材料持续了20,000多个循环，这相当于行驶了800万公里。

当科学家们使用超亮同步加速器光来观察这两款电池的内部时，事情变得非常有趣。当观察普通锂离子电池的内部工作原理时，研究人员发现电极材料中出现了大量微观裂纹，这是由于反复充电和放电造成的。然而，当研究人员观察单晶电极电池时，他们几乎没有发现这种机械应力的证据。

研究人员表示，新电池已经投入商业化生产，它们的使用将在未来几年内大幅增加。

• 佛罗里达国际大学：超越锂离子的锂硫电池

锂硫电池是一种超越锂离子的技术，也是最有前途的锂离子替代品之一，既轻便，又便宜，而且能量密度极高（意味着可以携带更多电量）。

经过多年的测试，El-Zahab的团队发现了一种延长锂硫电池寿命的解决方案。只需在混合物中加入少量金属即可。铂可以稳定电池性能，提高存储容量，使其更接近商业可行性。

“经过500次充电循环后，我们的电池保持率达到92%，这意味着电池几乎和新的一样好，”El-Zahab实验室的FIU博士后研究员、这项研究的第一作者Aqsa Nazir表示。“它还表明，我们最大限度地减少了损害整体性能的负面反应，从而使这种电池达到了商业水平。”

1.2 固态与准固态电池

固态电池因其更高的安全性和能量密度，被视为下一代动力电池的主要发展方向。许多企业和研究机构正投入大量资源，试图在商业化量产上取得突破。

• Factorial：40Ah全固态电池

固态电池技术公司Factorial宣布其首款Solstice™全固态电池已扩展至40Ah容量，适用于汽车的A型样品。新电池采用新颖的干式阴极涂层工艺制造，并展示出惊人能量密度。

图片来源：Factorial

100%干式阴极是一种新型电池制造工艺，可消除阴极涂层中的所有有害溶剂。除了干式涂层之外，Solstice™还因其独特的全固态电池设计而消除了化成工艺的需要。涂层和化成工艺通常是锂离子电池制造中最耗能的工艺。Factorial结合使用干式涂层和全固态化学创新技术，降低了运营成本、减少了能耗，并最大限度地减少了电池生产对环境的影响。

• 日本同志社大学：准固态电池

日本同志社大学（Doshisha University）和TDK株式会社（TDK Corporation）的研究团队开发出不易燃的准固态LIB，可以克服传统电池的局限性，结合液体电解质和固体电解质，为高能量密度全固态电池提供了更安全、更耐用的替代品。

新型电池设计包括硅负极和LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）正极。为了提高兼容性和性能，研究人员开发了针对每个电极定制的不易燃、接近饱和的电解质溶液。这些溶液使用三（2,2,2-三氟乙基）磷酸酯和甲基2,2,2-三氟乙基碳酸酯，它们与电极和固体电解质界面兼容。由此产生的30 mAh级准固态软包电池表现出优异的离子电导率、热稳定性和电化学性能。

这项研究中提出的LIB富有潜力，有助于实现高效、安全的下一代电动汽车和无人机等无线设备。

1.3 低成本环保电池

除了高性能电池外，低成本环保型电池也是研究的重要方向。科学家们正在探索如何减少对锂的依赖，并开发更具可持续性的电池材料。

• 芝加哥大学：无阳极钠固态电池

美国芝加哥大学（UChicago）普立茲克分子工程学院发明新型钠电池架构，即包裹着电解质的集电器，而非电解质包裹着集电器，从而可以完成数百次稳定的充放电循环。

图片来源：芝加哥大学

铝粉是一种可以像液体一样流动的固体，研究人员正是用铝粉制造了集电器。而在电池组装过程中，铝粉在高压下完成致密化，形成固体集电器，同时与电解质保持类似液体的接触，从而实现低成本、高效率的循环。

通过去除阳极并采用廉价、丰富的钠来替代锂，此种新型电池的生产成本更低而且生产过程更环保。通过其创新型固态设计，该款电池将既安全又强大。

• 麻省理工学院：铝硫电池

麻省理工学院（MIT）和其他机构的研究人员合作开发出一种新型电池，完全由丰富且廉价的材料制成，可为可再生能源提供低成本的备用存储。

研究人员决定使用地球上最丰富的金属铝作为其中一个电极，并将非金属中最便宜的硫作为第二电极的材料。至于电极之间的电解质，研究人员首先排除了易挥发且易燃的有机液体，然后尝试各种聚合物，最终确定使用熔点相对较低（接近水的沸点）的熔盐。

在实验中，该团队表明，该电池可以以极高的充电率承受数百次循环，预计每个电池的成本约为同类锂离子电池的六分之一。

研究人员称这种新的电池结构非常适合为单个家庭或中小型企业供电，未来还将适用于电动汽车充电站等。

二、先进材料的创新应用

在提升电池性能的同时，科学家们也在寻找更稳定、更耐用的电池材料，以提高电池的安全性和使用寿命。

2.1 高性能电池材料

电池材料的选择直接影响着电池的性能、稳定性和寿命。研究人员正在研发新型电解质和正负极材料，以优化电池的整体表现。

• 香港大学：锂金属电池的无微裂纹电解质

香港大学机械工程系研究团队开发出新一代锂金属电池，标志着该领域的重大进展。他们的创新重点是无微裂纹聚合物电解质，这些电解质是电池不可或缺的部分，有望在高温条件下延长使用寿命并提高安全性。

图片来源：香港大学

无微裂纹膜内的聚硼酸盐阴离子有助于加速Li+离子的选择性传输并抑制枝晶的形成。最终，这些阴离子网络聚合物膜使锂金属电池能够在高温下作为安全、长循环的储能设备。在100°C下循环450次后，该锂金属电池容量保持率达92.7%，平均库仑效率达99.867%。

这一突破可能为下一代锂电池阴离子聚合物电解质设计的发展铺平道路。除了在高温环境下的应用，无微裂纹电解质膜还具有快速充电的潜力，或可以使电动汽车在喝杯咖啡的时间内完成充电，标志着清洁能源未来的重大进展。

• 东芝：无钴高电位阴极锂离子电池

东芝电子元件及存储装置株式会社（Toshiba，东芝）宣布开发出新型锂离子电池，采用无钴5V级高电位阴极材料，可显著抑制副反应产生的性能下降气体。

该电池将新型阴极与铌钛氧化物（NTO）阳极相结合。测试中，该电池表现出超过3V的高电压、5分钟快速充电至80%的容量、高功率性能以及优异的寿命特性，即使在60°C的温度下也能保持上述性能。

该电池的目标应用范围包括电动工具、需要小型电池组高电压的工业应用，以及电动汽车。

2.2 新型冷却技术

电池的热管理对安全性和性能起着至关重要的作用，科学家们正在研究更高效的散热材料和方法，以提高电池的稳定性。

• 现代摩比斯：脉动热管冷却系统

现代摩比斯（Hyundai Mobis）宣布开发出新型电池电芯冷却材料，用于防止电动汽车超快速充电时电池过热。

图片来源：现代摩比斯

这种被称为“脉动热管（Pulsating Heat Pipe，PHP）”的材料由铝合金和制冷剂组成，放置在电池电芯之间，以降低快速充电期间电池内部温度的峰值。即使在超快速充电过程中电池发热量增加，通过采用能够承受热量的稳定热管理系统，电动汽车的充电时间预计可以大大缩短。

现代摩比斯成功在每个电芯之间放置PHP。它们将每个电芯产生的热量迅速传导到冷却块，从而在模块级稳定地控制内部温度。

三、清洁能源与循环经济

随着电动汽车保有量的增长，电池回收与可持续能源探索成为行业关注的焦点。科学家们正在研发高效的电池回收技术，同时探索新的清洁能源解决方案，以推动可持续发展。

3.1 废旧电池的再生利用

电池的回收和再利用对于降低资源消耗和环境影响至关重要。各大汽车制造商和研究机构正在开发新的方法，以恢复老化电池的性能，使其得以再次使用。

• 丰田：废旧锂电池再生技术

日本丰田中央研发实验室（Toyota Central R&D Labs）的一组研究人员发现了一种方法，可以逆转这一过程，让失效的锂电池恢复活力。该项技术也被形容为“给汽车电池注入能量饮料”。

图片来源：thecooldown.com

该技术的工作原理如下：简而言之，标准的锂电池随着时间的推移会丢失锂离子粒子，从而失去充电能力。研究人员研发了一种称为“恢复剂”（recovery reagent）的化学物质，可以将其注入到失效的电池中，让电池恢复性能。该款恢复剂会引发化学反应，重新补充电池中的锂离子，让电池很快可以再次使用。

3.2 未来能源探索

除了传统电池技术，科学家们正在开发全新的能源存储方式，以实现更高效、更持久的能源供应。

• 布里斯托大学：碳-14钻石电池

布里斯托大学（University of Bristol）和英国原子能管理局（UKAEA）的研究人员首次成功制造出碳-14钻石电池。这种新型电池有望为设备供电达数千年，由此成为一种非常持久的能源。

图片来源：布里斯托大学

碳-14钻石电池的工作原理是利用碳-14的放射性衰变（半衰期为5700年）来产生低水平电能。其功能类似于太阳能电池板，可以将光转化为电能。但是，它们不是使用光粒子（光子），而是从钻石结构中收集快速移动的电子。

结语

随着汽车行业迈向低碳未来，新型电池技术、先进材料和可持续制造方法正在成为产业升级的重要推手。从超快速充电锂硫电池到无阳极钠电池，从回收废旧锂电池到使用生物基环保材料，全球的研究人员和企业正以前所未有的速度推动技术革新。

未来，汽车产业将不仅仅是交通工具的制造者，还是全球能源体系变革的核心力量。在清洁能源、材料创新和循环经济的共同作用下，我们正迎来一个更加环保、高效、智能的汽车新时代。