寻找锂离子替代品的竞赛愈演愈烈
电动汽车的平均续航里程一直在稳步增加。单次充电的平均续航里程约为435km，这比几年前有了显著提高。配备大型电池组的高端车型在充满电后可行驶830km，表现十分出色。这一特点已成为中国电动汽车制造商的一大卖点。
得益于高效的碳化硅动力系统和能量密度更高的电池，延长续航里程成为了可能。尽管半导体技术已经快速进步，第三代碳化硅产品已经投入使用，但电池制造商必须彻底革新基础化学工艺，才能在能量密度、安全性、生产规模、回收利用、材料的可持续开采和成本方面达到新的性能水平。
锂离子电池
目前最主流的电池技术是锂离子电池，但它仍有一些不足之处需要进一步研究。Semiconductor Engineering杂志上发表的“Batteries Look Beyond Lithium”一文总结了替代化学技术。
主要问题并非缺乏创新想法，而是从实验阶段过渡到产品开发，进而实现商业化应用的进程中存在诸多困难。电池不仅在汽车电气化中起着重要作用，在那些需要大规模储能装置来弥补太阳能和风能等间歇性能源供应的可再生能源系统中也扮演着重要角色。
锂离子电池的工作原理
锂离子电池由四个部分组成：正极(K)、负极(A)、电解质和隔膜(见图1)。在嵌入和脱嵌化学反应的作用下，锂离子能够在具有良好离子传导性的电解质中在正极和负极之间来回迁移，但电子只能在外部电路中流动。嵌入是一种可逆过程，即离子被插入到主体材料的层状结构中，而不会显著破坏其框架。
正极上储存锂离子，其保留量决定了电池的容量和电压。充电过程中，锂离子从正极移动到负极。当电池充满电时，锂离子被石墨包裹在负极中。石墨储存离子的能力与电池的寿命密切相关。放电过程中，能量被释放，离子离开负极返回正极。隔膜可防止正极和负极直接接触，从而避免短路。隔膜由聚乙烯或聚丙烯制成，内含微孔，允许离子移动，但在温度超过一定值时，会阻碍离子流动。
正极可以包含不同比例的镍钴锰(NCM)或镍钴铝(NCA)前驱体合金。通常，NCA正极比NCM具有更高的能量密度和更好的稳定性。
图1：锂离子电池放电时的结构(来源：德国电气工程师协会)
锂离子电池的优缺点
除了电动汽车和储能系统外，锂离子电池还广泛应用于当今大多数便携式设备，这得益于以下优势：
- 能量密度高；
- 循环寿命长，因为它们可以支持更多次充放电循环；
- 自放电率低，这意味着它们能在更长时间内保持电量；
- 重量轻；
- 与其他成熟化学电池相比，充电速度相对较快。
缺点包括：
- 制造成本高；
- 存在热失控和爆炸风险；
- 充电过于频繁会导致性能下降；
- 由于开采锂以及用于正极的其他材料(如钴、锰、铜和镍)而对环境造成的影响——这些元素价格昂贵，且开采地往往受到地缘政治不稳定的影响；
- 容易受到过充的影响，这可能危及电池安全和健康，因此需要电池管理系统。
无钴正极
由于钴价格昂贵且难以开采，一些公司试图通过磷酸盐和锂化金属氧化物来实现无钴化。通常简写为LiMO2(其中M代表一种金属)，一些替代正极材料的例子包括：用于智能手机和笔记本电脑的钴酸锂；以其稳定性和安全性著称并应用于电动汽车和大型储能系统的磷酸铁锂；以及因其高能量密度而常用于电动汽车的镍锰钴酸锂。
另一种方法是基于硫正极，当与锂金属负极相结合时，其理论上可产生2,500Wh/kg的能量密度，而锂离子电池的能量密度为250Wh/kg。这是因为硫正极和锂负极的密度较低，因此电池每单位重量的容量较高；能量密度可达到500－600Wh/kg。
与其他材料相比，硫磺价格低廉、储量丰富且环保。相比之下，硫磺会表现出穿梭效应，因为中间产物多硫化锂会溶解在电解质中并向负极迁移，从而导致容量损失和循环寿命减少。此外，硫磺的体积变化会损坏正极的机械性能。此外，由于导电性较差，需要添加导电成分。
负极
绝大多数锂离子电池使用石墨粉作为负极材料。石墨可以通过人工合成或从地下开采，经过加工后烧结到铜箔上。石墨负极能够满足大多数常见锂离子电池正极的电压要求，而且价格相对实惠、重量极轻、多孔且寿命长。
随着向金属负极的持续过渡，硅基负极代表着一个过渡阶段，旨在提高能量密度并加快充电速度。处于该技术前沿的公司包括：Sila Nanotechnologies，其硅负极将于2026年应用于梅赛德斯G级SUV；Group14 Technologies，以其旗舰产品SCC55著称；Amprius Technologies，致力于研发不易膨胀的硅纳米线负极；OneD Battery Sciences，与通用汽车合作，将硅纳米技术应用于通用汽车的Ultium电池单元；以及Enovix Corporation。
由于硅在充放电过程中体积会发生显著变化，从而导致机械性能下降，一些公司正在将硅和碳混合，以制造一种纳米管，使其在内部膨胀，而不是在外部膨胀。碳有助于抵消这些变化，从而减少应力并延长循环寿命。因此，硅和碳的结合提供了更好的结构稳定性，并降低了电极开裂和容量随时间损失的风险。
新化学技术
除了修改基本电池结构外，新项目还致力于研究锂以外的其他材料。
锂属于元素周期表第一族，即碱金属族，该族元素(包括钠)密度低且高度活泼，尤其是在有水的情况下。在所有这些元素中，具有类似插层化学性质的钠基电池已被证明是最有前景的替代方案，因为其经济高效，并且地壳下钠的储量丰富——比锂多500倍。
如何提高充电速度
所有电池的一个重要方面是其充电速度，可以用C倍率表示，这是一种衡量电池相对于其最大容量充电或放电速度的指标。例如，一块1,000mAh的电池，如果以1C的倍率充电或放电，则需要1小时才能充入或放出1,000mAh的电量，而如果以0.5C的倍率充电或放电，则需要2小时才能完成充放电过程。虽然人们都追求高充放电倍率，但其弊端是会产生更多热量并缩短电池寿命。以下是锂电池和钠电池关键参数的比较。
表1：锂和钠的性质对比
从化学角度来看，锂和钠之间存在差异。钠离子的原子半径比锂离子大0.34Å，因此其原子质量是锂的3倍多。这种特性会影响负极和正极之间的离子运动，从而产生更大的机械应力并导致电池性能下降。因此，钠电池的循环寿命较短，性能也比锂电池差，因为石墨在与钠相互作用时会发生不可逆的剥离反应。
钠离子的运动速度更快，也即充电时间更短，考虑到其质量很大，这看起来可能有些奇怪。这可以用钠离子弥散的电子云来解释，这使得它比锂离子(电荷高度集中)能够更流畅地在原子之间穿梭。
钠电池既不易燃，也不易爆炸或短路。此外，其可以在-20℃至60℃之间工作。
低成本和低能量密度使得钠离子电池适用于固定应用和储能系统，在这些应用场景中，减轻重量并不是主要的制约因素。
铁空气电池
美国公司Form Energy设计了一种独特的电池，称为铁空气电池，其特点是有一个铁负极和一个空气正极。这种低成本技术非常适合用于储存多日电力，平衡可再生能源的多日波动。
其基本工作原理是可逆生锈。放电时，电池从空气中吸入氧气，将铁金属转化为铁锈(氧化铁)。在氧化过程中，铁会失去电子，这些电子通过电池的外部电路传送到空气电极。充电时，电流将铁锈转换回铁，电池释放氧气。该公司声称，其电池的成本约为20美元/kWh，而锂离子电池则为300美元/kWh。
其他金属也可用作铁空气电池的替代品，每种金属都有其独特的优势。一些最常用的金属包括锂、钠、钾、钙、锌和铝。铝空气电池不可充电，因为其通过单向反应运行。
电池设计和仿真工具
电池设计并非易事，因为有时我们对各种化学反应的理解不够透彻。由于缺少描述操作和性能的方程式，仿真也十分困难。目前尚无精确的解决方案，外推法只能基于经验数据。此外，分析也涉及不同层次的抽象。例如，高级等效电路模型在电池组级别运行，可以估算充电状态，进而确定开路电压。另一个重要方面是热行为，尤其是在电池组级别，必须关注任何可能的热失控，因为这会影响电池安全。
（原文刊登于EE Times姊妹网站Power Electronics News，参考链接：The Race to Find Lithium-Ion Alternatives Heats Up，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子工程专辑》2025年5月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。