解决电动汽车的挑战

续航里程延长、充电时间缩短：姗姗来迟的电动汽车蓄电池技术升级

交通是世界上造成吸热温室气体排放的最大因素。例如在美国，化石燃料汽车在行驶中产生的排放量占据了总体排放量的大部分。电动汽车不产生尾气排放，可以替代那些会加剧气候变化的交通工具，是更高效、更具可持续性的交通工具。此外，由于汽油价格继续上涨，电动汽车也是一种经济实惠的替代方案。

因此，内燃机时代注定将离我们远去。这一趋势在过去几年里尚不明显，但不久必定会逐步显现。2011年，全世界大约售出55,000辆电动汽车。2023年，仅1月至8月，电动汽车的销售数量已爆炸式增长，超过了800万辆。这表明，在短短十年间，电动汽车已占据全球所有汽车销售量的近20%。

如此快速的增长的确引人注目，但全球汽车销售量占比从20%到100%还有很长的路要走。人类地球家园持续恶化的气候危机也迫使我们不得不采取积极的行动来应对。电动汽车关键零部件的研发是进一步提升其市场占有率，帮助减少交通工具对气候造成负面影响的重要环节。

这是因为在目前的市场上，电动汽车的动力大多源自锂离子电池技术。该技术由日本索尼公司于1991年发明，当时主要用于数码摄像机电池。毫无疑问，这项发明帮助人类推出了最初代电动汽车。三十多年来电池技术不断更新迭代，伴随着市场对电动汽车需求的快速增长，此类电池也基本达到了容量上限。

液体锂离子电池通过液体电解质生产而成。但先进的电极无法与液体电解质相结合使用，这导致电能仅受限存储于单体电池。若想存储更多电能，就需要更多电池单体。单体越多，电池总体积就会越大、越重、价格自然也就越昂贵。如此，在化石燃料汽车向电动汽车过渡的进程中，价格、性能和安全性就成为需要考虑和解决的重要痛点问题。

简而言之，电动汽车行业已经深入地探索到了传统锂离子电池的储量上限。由于“液体锂离子电池很难再有突破性革新，这项技术已经进入生命周期倒计时，”肖特新型电池研究主管安德烈亚斯·罗特斯（Andreas Roters）博士说道，“这迫使我们不得不考虑接下来要怎么做？”

早在2011年这个问题已经显现。“我们发现能量储存是一项重要课题，然后开始思考如何通过材料研究来解决标准电池的储存上限问题，” 安德烈亚斯（Andreas）解释道，“经过大量研究和分析，我们决定探研究固态电池。当时这种电池在欧洲和美国几乎鲜为人知。”

创造历史

何谓固态电池？简而言之，固态电池利用固体电解质而非液体电解质使锂离子在电极之间传输。依赖于这种材料，固体电解质可支持先进的电极材料，对电池的能量储存能力产生了积极影响。

尽管电池可能无法与“我们脑海中的玻璃关联到一起，” 安德烈亚斯（Andreas）笑道，公司悠久的材料专业发展史为突破性固体电解质材料的研发提供了得天独厚的优势。

微晶玻璃在固态电池中起到什么作用？

“我们不禁要问到底需要什么材料？如何利用这些材料满足我们的需求？” 安德烈亚斯（Andreas）回忆道，“我们知道可以将玻璃和陶瓷材料有机融合来定制和获得更好的电池性能。”

“通过熔炼技术制作这种材料难度很高。凭借多年来在玻璃制造方面积累的优势，我相信肖特应该是世界上唯一具备经验、能力和技术来完成这项任务的公司，”他解释道，“最终我们找到一种方法，通过现有的熔炼技术制造出这种突破性的新型微晶玻璃粉。”

用“突破性”这三个字来形容它实在是有点低调。这种白色微晶玻璃粉是一种离子导电固体电解质，传导性高、化学和温度稳定性强、性能也更好。从功能角度看是十分高效的产品，同时也兼具很强的可扩展性，因此具有成本效益。

微晶玻璃的材料优势

使用肖特新型微晶玻璃粉制成的固体电解质可以制造新型电池。与传统电池相比，新型电池具有以下优势。妮娜（Nina）解释：“这种电池不易燃、机械稳定性更强。最重要的是固体电解质化学稳定性强，可以将负极材料从石墨变成锂金属，能量储存可提升十倍。”

储存能力更强，意味着固态电池可在比液体锂离子电池体积更小的电池模块中储存更多的能量。同时，固态电池不会遇到充电速度受限的“瓶颈”。这是因为在电池完好无损的前提下，离子在正极和负极之间的移动速度通常远低于采用传统负极材料的锂离子电池。

对于电动汽车，“这些改进能使它们的行驶里程进一步增加30%，”肖特新业务拓展高级经理尼古拉斯·布鲁内（Nicolas Brune）博士说，“虽然我们离这个目标还有一定距离，但从目前所取得的成果来看，在10分钟之内完成80%的充电量是具有可行性的。”

从安全角度看，固态电池可解决当今困扰着电动汽车的许多普遍且糟糕的问题。传统锂离子电池含有液体电解质，这是一种易燃成分。“一旦液体电解质开始燃烧，” 安德烈亚斯（Andreas）解释道：“电池就有爆炸的风险，这真是太危险了。”

可以肯定的是，尽管类似事故有公共记录，但统计数据表明电动汽车燃烧起火事故明显少于化石燃料汽车。

安德烈亚斯（Andreas）表示，固态电池只需“除去内部的易燃物质，替换成不易燃的固体”就能进一步降低起火风险。这就是新型微晶玻璃粉所具备的独特性。这款材料在耐受高温、提升电池总体稳定性方面表现尤其出色。

采用固态电池驱动是电动汽车进一步为大众接受的绝佳卖点。但前路慢慢，任重道远。“固态电池取代液体锂离子电池并非手到擒来，” 安德烈亚斯（Andreas）表示，“目前，我们仍在改良材料，也看到电动汽车的总体需求在不断增长。”

法国市场研究与战略咨询公司Yole Développement开展的一项研究表明，装载固态电池的电动汽车可能会于2030年开始量产。安德烈亚斯（Andreas）坚信，彼时，白色微晶玻璃粉一定会大放异彩。

目前，肖特已与全球的业务伙伴开展合作，与行业领先的汽车制造商和电池生产商紧密联系，其中还包括两个财政支持雄厚的开拓性研发项目。其中一个是由欧盟资助的SAFELiMOVE项目。该项目在汽车、电池和材料制造圈有较高知名度，主要致力于研究电动汽车的电池混合动力系统。

解决难题

当下每一次进阶式的突破和大规模的数据收集都将成就未来快速充电、经久耐用的电动汽车。除了求真务实的工作态度，妮娜（Nina）的拼图方式还需要一些乐观主义精神。这种乐观不仅体现在相信任何问题都能得到妥善解决，也体现在着眼全局——即使拼图一块一块凌乱交叠、散落于桌面，仍坚信能够完成拼接。

妮娜（Nina）又一次显得那么泰然自若。“当你在实验室里努力工作了很长一段时间，即使是微不足道的成果，也会令你倍感高兴——你会心跳加速，对成果将信将疑。紧接着一遍又一遍的反复检验并与同事讨论，”她说道， “真是充实又快乐的一天。”

因此，妮娜（Nina）相信，迎接未来的挑战，取得进展与突破只是时间问题。她说：“拼图要一块一块拼，慢慢成型，就像固态电池面临的难题一道一道被攻克，最终实现突破，走向成功。”