交通运输新兴技术案例集/电动汽车电池发展

最早的保时捷之一是 1889 年制造的电动汽车 (EV)。尽管该车性能为 21 英里/小时，续航里程为 49 英里，但电动汽车并没有超越汽油车。保时捷的电池重达 1,110 磅，而且当时没有充电基础设施。 它未能占领市场是因为能源来源并不丰富。如今，社会已经接受电动汽车作为减少温室气体 (GHG)（如 CO₂）的潜在解决方案。我们现在正在讨论为电动汽车提供公共空间以在城市街道上停车时充电的太阳能充电站的优点。关于电动汽车承诺的讨论的核心是电池。本案例研究专门讨论了电动汽车电池技术的进步及其与广泛使用相关的政治、环境和基础设施障碍。

参与者列表

1. 消费者 - 电动汽车 (EV) 的所有者/运营商。
2. 电池制造商 - Gigafactory（特斯拉）、Brownstown 电池组装厂（通用汽车）、Rockwood Holdings
3. 电动汽车制造商 - 特斯拉、通用汽车、宝马、梅赛德斯、保时捷、丰田、沃尔沃、日产、福特
4. 国家公路交通安全管理局 (NHTSA) - “NHTSA 由 1970 年公路安全法案设立，致力于实现机动车和公路安全领域的最高卓越标准。它每天都在努力帮助预防事故及其伴随的人员和经济损失。”
5. 采矿业 - Sociedad Quimica y Minera (SQM)、Western Lithium、Lithium Americas、FMC Corp、Talison Lithium Ltd.、Rockwood Holdings
6. 华尔街 - 锂在期货市场上作为商品交易。
7. 主要锂生产国 - 智利、中国、玻利维亚、美国、澳大利亚、阿根廷、葡萄牙、巴西、津巴布韦、俄罗斯

术语

1. 续航里程焦虑 - 消费者基于车辆单次充电可行驶的有限距离对购买电动汽车的恐惧。
2. 标准化 - 充电设备和电池组设计的通用规格。
3. 矿物提取 - 锂、钠、锌、铜、钴
4. 氧化/还原 - 电池中产生电流的一种化学反应。
5. 电解质 - 通常是含有钠、锂、锌、氧、硫等带正电和负电矿物质的水溶液。该溶液往往具有很强的腐蚀性，对有机组织有害。
6. 交流电 - 交流电
7. 直流电 - 直流电
8. 快速充电 - 通常是指需要 240 伏插座的 30-90 分钟充电周期。
9. 千瓦时 (kWh) - 能量使用和生产的计量单位。
10. 触电保护 - 对车辆接地以防止触电。
11. 电动汽车充电 - 电动汽车充电分为三种类别：住宅、工作和公共。建设此类基础设施的成本很高。
12. HEV - 混合动力电动汽车，如丰田普锐斯，不插电到电网。
13. PEV/PHEV - “插电式电动汽车 (PEV)，包括电池电动汽车 (BEV) 和插电式混合动力电动汽车 (PHEV)。这些车辆的共同特征是它们的电池通过插接到电网来充电。BEV 与 PHEV 不同，因为它们只依靠存储在电池中的电力运行（即没有其他电源）；PHEV 具有内燃机，可以补充电力传动系统。”
14. SAE - 汽车工程师协会
15. 记忆效应 - 当电池放电或充电不当时产生的效应，其中电池停止正常放电并给出不正确的电压读数，导致完全充电变得不稳定。长期以来人们认为锂离子电池不受此影响，但最近在锂离子电池中发现了一种微小的效应。
16. FMVSS - 联邦机动车安全标准由 NHTSA 监管。

政策问题

环境问题

电动汽车将影响对天然气和煤炭等产生 CO2 的来源的电力生产的需求增加。可能需要考虑替代电力来源。核能的成本可能超过其效益，而风能和太阳能等可再生能源尚未发展到足以满足未来的需求。此外，它们都因资源的可用性而存在生产缺口。

经济和基础设施问题

将需要替代的收入来源来弥补由于 PHEV 和 PEV 造成的公路信托基金的损失。“华盛顿和弗吉尼亚州已征收特殊的注册费。” 电动汽车普及带来的其他问题包括为电动汽车充电基础设施提供资金的成本，而电动汽车充电基础设施对于优化电力在高峰时段的可用性至关重要。充电装置需要放置在住宅、工作场所和公共区域，包括停车场和路面感应充电带。已经确定了许多实施这些措施的策略，以满足电动汽车不断增长的能源需求。

电动汽车电池标准的国际协调

锂和其他有毒物质运输的安全标准已经存在很长时间。电池组安装后的标准化要求是另一回事。现有的标准因地区而异。事故发生时暴露于电解质和有毒物质以及对紧急人员和车祸受害者造成电击都是值得关注的问题。此外，“充电基础设施的标准化对于标准化充电基础设施的众多组成部分至关重要。快速充电器的多种插头以及各种充电网络的支付方式缺乏标准化尤其成问题。”

叙述

电动汽车电池类型

锂电池

现代可充电电池通常是锂离子电池。这些电池的特点是电压高、能量容量高、放电率高、污染少、安全性高（因为电池中没有重金属）、循环寿命长（对于主要的电动汽车品种LiNiMnCoO2，大约可以充放电1000-2000次，具体取决于充电深度和温度）、自放电率低、记忆效应极低以及充电速度快。^[8]

锂空气电池

锂空气电池具有增强储能的潜力，可以消除电动汽车续航里程焦虑。它们可以是水性的（在这种情况下可以是酸性的或碱性的），也可以是非水性的。对于电动汽车来说，需要非水性电池（主要是出于密度考虑），这将潜在的电化学反应限制在二氧化锂的形成/分解。它们的能量密度非常高，因为构成阴极反应的材料不是储存在电池本身中，而是直接从空气中获取。潜在的非水性锂空气电池可以储存比现代锂离子电池多3-5倍的能量，足以行驶300英里，但确保它们的充电能力至关重要；目前许多组件在实际水平上不支持此功能。^[9]

锂硫电池

锂硫电池通过将锂和硫转化为硫化锂来工作。它们也具有显著增强储能的潜力，估计能量密度超过3000 Wh/kg。然而，放电反应产物往往溶解在常见的液态有机电解质中，并且阴极材料的能力有限。^[10]为此，五硫化二磷可能是一种有希望用作电解质的化合物。^[11]如果在这两个领域取得改进，主要是这两个领域，这项技术将变得更加可行。它们比锂空气电池技术发展得更远。^[12]

钠离子电池（例如钠硫电池）

钠离子电池，例如钠硫电池，最初是为在非常高的温度下运行的系统而开发的，其明确的目的是确保钠离子保持溶解在溶液中。^[13]“这样电极就保持...熔融...，从而电池将电能转换为化学势能。”^[14]根据Slater、Lee和Johnson的说法，它们“利用固体陶瓷电解质[，并具有]高能量密度[、长寿命和高效率]”。^[15]但是，尽管钠的自然丰度很高，导致成本很低，但由于在高温下运行的成本，它们仍然很贵。最近的研究重点是能够在环境温度下和固态环境中运行的类型。^[16]

液流电池

液流电池，或称氧化还原液流电池，由三个独立的储罐组成。两个储罐分别盛放氧化还原化合物；这些化合物（电解质）被泵送到第三个储罐，储罐中央的介质阻止它们混合。当与介质两侧的两个电极之一发生反应时，泵送的化学能就会转化为电能或势能（分别放电和充电）。它们的主要优势之一是，用过的电解质液体可以轻松更换，而且寿命超过10年。主要问题包括溶解度低；能量密度低；膜并非完全不渗透——导致电解质混合——以及电解质数量稳定性。此外，与其他类型相比，它们需要更多额外的部件（例如泵）。^[17]

电动汽车列表及其续航里程

插电式汽车

环境现实

PHEV、PEV和BEV的广泛使用有可能减少全球温室气体排放。全球约14%的温室气体排放归因于机动车燃烧化石燃料。^[18]随着电动汽车市场不断扩大，许多人预计随着机动车数量下降，温室气体排放量也会相应减少。对这些减排效益持怀疑态度的人很快指出，电动汽车带来的任何减排都将被电动汽车的生产以及电动汽车车队所需的额外发电量所抵消。能源管理局的一份报告似乎支持了这一点，该报告显示，PEV可能会使普通家庭的能源需求翻番，范围从3-19千瓦。^[19]但是，Daniel J. Berger和Andrew D. Jorgensen对该问题进行了更深入的考察，发现问题在于发电设施的类型。研究人员指出，截至2011年，美国约40%的发电量来自燃煤电厂。燃煤发电产生的CO2排放量最高，是主要的温室气体。在燃煤发电设施运行的州，PEV的二氧化碳排放量不会净减少。另一方面，研究表明，这些燃煤州的PHEV车辆能够实现二氧化碳排放量的净减少。^[20]假设，因此，燃煤发电设施需要使用清洁煤炭技术来减少二氧化碳排放，或者需要逐步淘汰以实现温室气体排放目标。清洁煤炭技术确实存在，但成本高昂，而且本身也有一些环境外部性。这也许是围绕电动汽车最大的政策问题，因为需要制定法规来强制要求二氧化碳捕获技术。没有简单的答案，二氧化碳排放量较低的替代发电方式，例如风能、太阳能、天然气和核能，都会对环境产生影响，并且能源生产效率也不同。

锂基电池在电动汽车中的主导地位呈现出另一种环境现实。它带来了与任何资源开采行业相关的冲击，包括社会、地理政治影响。锂，像所有自然资源一样，必须开采和加工才能使用。在智利和玻利维亚等地，开采珍贵的锂（碳酸锂）形式可能会对水生生态系统造成不可逆转的影响。^[21]“盐水”开采过程包括抽干湖泊以进行疏浚作业，以便收集原矿石，然后通常在现场或在另一个仓库中进行加工（提纯），然后再运送到美国市场。开采过程中使用的工艺导致人们担心当地社区的环境健康，因为污染物会进入食物和水供应。这并不是说开采不能安全进行。然而，开采法规因地区而异，在最贫穷的国家可能缺乏监管。

回收锂和其他电池类型对于电动汽车的长期可持续发展至关重要。锂电池回收也许是最重要的，因为对它的需求不断增长。其次，有限的锂储备供应了许多其他行业，包括航空、制药、玻璃以及其他电池密集型技术行业，包括手机和电脑。^[22]一些回收过程与开采对环境的影响类似。清洁和重新利用电池中锂的过程可能涉及湿法冶金处理或“浸出”，从溶液中提取金属。^[23]浸出设施往往具有很高的毒性，需要与开采类似的监管。

关于社会地理政治问题，根据美国地质调查局2015年的锂储量信息，世界各地都有其他锂来源，只是没有南美洲，特别是玻利维亚的储量那么大。^[24]按国家划分的锂储量前几位包括智利、中国、阿根廷、澳大利亚、葡萄牙、巴西、玻利维亚、葡萄牙、美国、俄罗斯和津巴布韦。需要注意的是，俄罗斯是锂的主要生产国，但没有公布储量。全球储量总计约1400万吨。^[25]全球储量的绝大多数（75%）位于南美洲。与美国相比，中国也拥有大量的储量。因此，锂被称为“新石油”，因为美国是锂基产品的最大用户，但与全球相比，其储量较少。

安全

安全是一个主要问题，因为电动汽车电池的容量很高，无论电池化学成分如何。这种电池的容量远高于个人电子产品，并且工作在更极端的环境中。美国国家可再生能源实验室（NREL）指出，“在极端温度下，可能发生高放电和充电速率……[而且]防火安全是一个主要问题。当设计车辆储能装置的安全时，带有易燃电解质的电池会带来挑战……[尤其是]对于PHEV和EV应用，车辆可能在私人住宅和商业场所的封闭车库内充电。^[26]

NREL 将热稳定性确定为影响电池安全性的最重要因素，并指出“电池包含氧化剂（阴极）和燃料（阳极 [和] 电解质）...由于爆炸的可能性（其他例子包括高爆炸物和火箭推进剂），很少将燃料和氧化剂混合在一起），这就是充电状态是重要变量的原因。较低的 SOC [减少了每个电池节点发生氧化还原反应的可能性]...但是，如果允许电极材料在电化学电池中发生化学反应，则燃料和氧化剂会将化学能直接转化为热量和气体。一旦开始，这种化学反应很可能进行到完成...成为热失控。一旦热失控开始，就无法抑制或阻止它。^[27]

Liu 等人进一步观察到电池“预计在没有主动冷却的情况下运行...[因此] 热管理变得更加关键，因为表面积/体积比...随着电池的增大而减小，导致每单位 [不可逆] 热量产生的热传递率降低”^[28] 由于这些风险，需要进行严格的滥用测试，以确保电池设计在这种情况下不会出现故障，无论其被迫运行的条件如何；NREL 进行与“热 (...稳定性、火灾、储存温度、充电速率、[等等])...电 (...过充电...短路、过放电、[等等])...[以及] 机械滥用 (...挤压、穿透、跌落、浸泡、翻滚、振动和机械冲击”^[29] 之前讨论的每种电池类型都存在一些安全问题。例如，液流电池引发了化学处理和泄漏的担忧，而锂离子电池由于其可燃性，需要高级监控^[30] 但是，液流电池在安全性方面比其他类型电池有几个主要优势；正如 Wang、Li 和 Yang 指出的那样，“主要成分是液体...并且反应性材料是分开储存的...由于内部短路的重大灾难发生的可能性非常小 [因为] 流动的电解质带走了氧化还原反应期间产生的热量...”^[31]

结论

如今，锂电池在个人电子产品和车辆中占据主导地位。未来的电池很可能属于以下几种类型之一：锂空气、锂硫、钠离子或所谓的“液流”电池。每种电池都有其优缺点。锂硫电池能量密度高，但如果阴极（含硫）在化学角度上没有完全正确地制备，则由于硫化锂在有机溶剂中的溶解度低以及其他固有现象，容量损失和充电速率将成为主要问题。尽管添加其他化合物（例如五硫化二磷）^[32] 有望解决这些问题，但仍需要进一步的研究来解决这些问题。钠离子电池从长远来看具有许多优势。其中最重要的是，钠的含量远远超过锂，而且提取过程和产品更环保。^[33] 这意味着开采用于制造电池的资源对生态的影响更小，从而限制了开采制造电池所需资源的数量。它们还具有更长的充电时间，并且如果能够开发，由于原材料的丰富性，它们的成本可能会大幅下降。然而，钠离子的尺寸明显更大，这意味着尽管钠和锂反应的化学性质相似，但在反应中移动钠离子比移动锂离子要困难得多。目前的研究集中在解决这个问题上。

讨论问题

1. 电动汽车电池充电产生的二氧化碳排放量会比目前的水平多还是少？
2. 与电动汽车扩展相关的基础设施成本是多少？
3. 当我们用完锂后会发生什么？