电动汽车:在发动机罩下

电动车电池是如何工作的?
2020年5月22日

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电动汽车停放

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你家里有多少设备是用可充电电池供电的?

笔记本电脑、手机、智能手表、游戏机:这个清单很长,而且越来越长,英国政府希望,很快,我们都能在这个清单上增加一个,甚至更大的设备——电动汽车,或EV。尽管尺寸差异巨大,但这些设备都使用锂离子电池供电。这些电池使用称为电池的结构将化学能转换为电能。但是这些细胞是如何发电的呢?为什么锂离子电池是可充电的,而其他一些电池却不能?

电化学电池

为了发电,我们需要电子流。如果你把合适的两种材料连接起来,电子流并不难产生。如果我们把两种导电材料连接在一起,一种不太在意留住自己的电子,另一种拼命从任何地方寻找电子,就会发生两种化学反应。没有过度附着电子的材料——负极——将向电线释放电子,同时产生被称为离子的带正电粒子。这些电子通过导线,转移到极需要电子的正极。在那里,它们通过不同的反应与物质结合。这种从负极到正极的电子流动,就是产生电能的原因。

为了使电化学电池发挥作用,这些带负电荷的电子的流动需要得到平衡,这样系统中就不会产生电荷。这是通过允许在负极产生的带正电荷的离子也流向正极来实现的。这不是通过电线发生的,而是通过一种被称为电解质的材料,它可以是夹在两个电极之间的液体或糊状物。在大多数可充电设备中,流动的正离子是锂离子,这就是为什么这些电池被称为锂离子电池。要使电池工作,电子和带正电的离子必须同时流动。

从电池到电池

在最基本的层面上,上面描述的电池可以由两个电极和电解质组成。电池中连接在一起的电池的数量变化很大,从手机电池的一两个到电动汽车的几千个。在一些电池中,电子从负极到正极的行程是单向的,要么是因为在电池放电过程中电极被物理消耗,要么是因为在放电过程中电极被其他材料覆盖,从而阻止了电子和离子的反向流动。

但是,在锂离子等可充电电池中,电子和离子的流动可以通过将电池连接到外部电源来逆转。这将逆转放电过程,将离子和电子送回负极,使电池准备好再次供电。

锂离子电池是可充电的,因为精心设计的电极材料在电池充放电时不会被锂离子的运动严重损坏。负极通常由石墨制成,正极通常是锂金属氧化物。这两种结构都有允许锂离子进入和离开结构的层,所以它们可以进入电解质,电池可以充电或放电。

由于现代电池化学的变化,电动汽车电池最近才变得可行。“锂离子电池的主要概念并没有真正改变,”剑桥大学的戴维·霍尔博士解释说,“但电极材料与获得诺贝尔奖的原始锂电池材料有很大不同。现在你可以在同样的空间里容纳两到三倍的能量。”

正是这种在小空间内储存大量能量的能力,使得锂离子电池得到了广泛应用。但是,任何拥有手机超过几年的人都知道,手机不会永远用下去。“理想情况下,所有这些变化,将锂从一边移动到另一边,都是完全可逆的,”霍尔说。“但是,不幸的是,有副作用。它会慢慢地降解这些材料,然后它们就会分解。”因此,就像汽车会生锈一样,电池的性能和容量也会随着使用而下降。

然而,用户可以采用更好的使用电池习惯来提高从汽车到手机等设备的电池寿命。霍尔建议:“对于手机和笔记本电脑,你能做的最好的事情就是确保它们不会太热。”

车道上有一块巨大的电池

随着我们从汽油车转型,越来越多的人将自豪地拥有这种本质上是车轮上的巨大电池。这种转变可以为新技术打开大门。例如,电动汽车有可能通过一个创造性地称为“车辆到电网”的过程将电力输送回电网。

这个过程目前只适用于少数配备了特殊充电器的车辆,这种充电器可以从汽车电池中取出能量并将其放回汽车中。但是对于那些拥有合适的汽车和合适的充电器的人来说,汽车到电网可以定制充电和放电,这样汽车就可以在高需求的时候向电网提供能量,然后在能源便宜的时候晚上充电,而且通常有一些可再生能源(比如风能)过剩。

八达通电动汽车公司的克莱尔·米勒解释说:“它提供了燃烧天然气以外的能源,在英国,我们很快就能满足需求。”“车辆到电网只是我们能够控制和决定我们在哪里使用能源以及未来我们在哪里投入能源的一种方式。”

这些额外的充放电周期对电池寿命有什么影响?一些初步研究发现,汽车到电网实际上可能延长电池的长期寿命,因为在汽车到电网的循环中,电池充电和放电的方式是可控的。

另一方面,当你开车在城里转的时候,在交通中会有很多的停车和启动,加速和减速。这些都是需要电池在短时间内突然爆发能量的行为,随着时间的推移,可能会对电极造成损害。相比之下,车辆到电网的充放电循环以一种平稳、可控的方式对电池进行充放电,可以设计成对电池造成最小损害的方式。

再利用和回收电动汽车电池

无论车辆是否联网,随着时间的推移,电池寿命都会下降到需要更换汽车电池的地步。有可能电池最初会被重复使用,以静态电池的形式获得第二次生命。60英里的续航里程对汽车来说可能用处不大,但这些二次电池的堆叠对于储存可再生能源仍然很有用。在阿姆斯特丹阿贾克斯足球队的主场,旧的电动汽车电池被用来储存白天产生的太阳能,以便在夜间比赛时为体育场的灯光供电。

一旦容量进一步下降,电池就需要回收。这一点很重要,因为如果我们没有办法补充原材料供应,工业将难以获得制造新电池所需的所有材料。

一种特别重要的材料是钴。正极钴含量高的电池可以给电动汽车提供良好的续航里程,但这种元素很难获得。伯明翰大学的加文·哈珀博士解释说:“钴主要来自刚果民主共和国。”他强调钴的开采条件是不可取的。“有孩子在采矿业工作,还有一个不受监管的行业,与主流采矿业并存。”

这意味着有一种通过用其他金属(如镍)取代钴元素来减少对钴依赖的动力。如果这项工作取得成功,它可能会推动当今电动汽车电池的更快回收,用一个高钴含量的电池来生产多个低钴含量的电池。

驾车驶向未来

电动汽车引擎盖下的化学物质已经酝酿了40年。这种化学反应与现代生活中无处不在的移动设备的动力非常相似,尽管规模更大。从充电的角度来看,每个家庭都有一个大容量的车轮电池无疑会给基础设施带来挑战,但开发电网平衡和新回收技术的能力意味着电动汽车有潜力让我们超越当地超市。

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