“冬天太冷，我的電動車凍得開不動。”“油門一踩，暖風一開，電池續航裡程咔咔往下掉。”“續航200公裡，實際只能行駛100公裡！太不準確了。”……
寒潮來臨，新能源汽車續航出現大幅下滑。鋰電池被“速凍”之後續航驟降問題能否解決？未來新能源汽車動力技術會有哪些新趨勢？
目前，新能源汽車動力電池基本採用三元鋰電池或磷酸鐵鋰電池，由於電解液對溫度較為敏感，粘度會變大，導致鋰離子變“懶”，活性下降，造成外電路電子遷移速度不匹配，出現嚴重極化，充放電容量急劇降低。
為破解這一難題，技術人員“對症下藥”，給動力電池裹上一層“電熱毯”，通過PTC（熱敏電阻）和熱泵等技術讓電池不受凍。更為關鍵的是，技術人員正在探索電池技術革新，從根本上消除“裡程焦慮”。
不抗凍的“鋰”還在修煉
“天氣特別冷的那幾天，續航有10%到20%的影響。”在廣州開網約車已有兩年的劉師傅表示受到了寒潮影響。冷空氣一來，關於新能源車實際續航裡程驟降的熱議衝上熱搜，北方地區不少純電車主表示電動車變電“凍”車。
目前，純電動汽車的動力電池基本採用三元鋰電池或磷酸鐵鋰電池。鋰電池處於低溫環境下，電解液粘度變大，鋰離子的遷移速度變慢，在低溫下以較大的電流放電，放出的容量會相對減少。換句話說，電池工作時，電解液是鋰離子來回穿梭釋放能量的通道，低溫造成鋰離子通道凝滯不通，無力做功。
更為關鍵的是正極材料在低溫下的表現：研究表明，在-20℃條件下，磷酸鐵鋰電池的放電容量只能達到常溫的67.38％，鎳鈷錳三元電池則是70.1％，錳酸鋰電池83％。
這就能解釋許多車主們極力吐槽的一點——為什麼實際續航裡程比宣傳的400公裡、500公裡少那麼多。
當前，動力電池的命名主要是用電池正極材料，包括磷酸鐵鋰和三元鋰電池。現在，我國三元鋰電池已經形成多元化技術路線，如NCM523、NCM622、NCM811，其中數字指的就是正極材料鎳鈷錳比例，鎳的含量往往起到最關鍵的作用，鎳含量越大，正極材料活性越強，能量密度越高，實際應用中，搭載NCM811電池的車型對應裡程或可接近700公裡。
國家新能源汽車創新工程項目專家組組長王秉剛表示，低溫環境下新能源車運行的確存在不暢，這是新能源車市場發展必須克服的障礙，目前正在技術上針對性地解決低溫問題，長遠來看固態電池將是主要發展路徑。
穿上“外套”或可解決問題
“鋰”的修煉需要時間，從另一個角度看，電池怕冷，就要重視整車和電池的保暖，即整車制熱的兩大技術：PTC和熱泵。
PTC是最直接的用電發熱方法，電阻絲或陶瓷等熱材料通電後產生熱量。不同於燃油車有內燃機廢熱制暖，純電車的電機在工作中產生的熱量遠比不上發動機，“燒電”暖車意味著溫控系統也在耗電，對續航的友好度不大。
熱泵原理在汽車上也發揮著作用，使用部分電驅能量，將外界熱量提取到車內。燒電發熱時，獲得的熱量將小於消耗的電能；熱泵技術下，獲得的電能是部分電驅發熱的熱量加上從外界吸收的熱量，能效比更高。然而熱泵空調並非完美無缺，複雜的結構造成更高成本，以-10℃為分界線，低溫同樣限制熱泵空調的正常工作。
因此，PTC與熱泵的結合互補成為整車制熱方案的重要思路。比如特斯拉全面向熱泵技術轉變，最新車型Model Y搭載熱泵+PTC組合式空調，解決思路就是在車輛啟動溫度過低時，首先使用PTC對車輛進行輔助加熱，待車輛運轉後，依靠電機、電池包等產熱部件，熱泵空調便可以正常高效為車內供熱。
以PTC與熱泵的加持類比，用於整車制熱的空調技術“縮小”到電池包結構上，就是獨立的電池溫控系統。統計表明，自2019年下半年以來上市的純電動汽車大多配備了獨立電池溫控系統。
在鋰電池畏寒問題徹底解決之前，企業通過技術優化克服低溫，除了PTC、熱泵技術，還有能夠實現加熱速率每分鐘3℃的電機激勵加熱。以領克公佈的最新電池熱管理系統為例，其直接式熱泵的能效可以達到傳統PTC模式的2—3倍，以少量耗電“搬運”熱量。
不過當下技術還有進一步改進空間。中國電動汽車百人會副理事長、中國科學院院士歐陽明高建議，PTC加熱需要進一步改進，雲端控制提前預熱，以實現電池熱管理系統的能效優化。熱泵空調在低溫下的效能也需要進一步增強，例如通過補氣增焓提升低溫效能等。
新技術有望破解“裡程焦慮”
有了溫控“外套”保駕護航，純電車的冬天不會太難過，但動力電池本身的進階突破才能實現純電車真正的持久耐寒，徹底破解低溫焦慮和裡程焦慮。
要實現續航革命，提高裡程數字，能量密度是決定性指標。現在鋰電池方案中負極材料是碳，而硅材料的質量比容量（單位質量放出的電量）超出碳材料十倍。因此，在負極材料中摻入硅能有效提高電池的能量密度，但硅材料也有難以“馴服”之處。
硅在電化學反應中體積變化高達320%，遠大於現有的碳材料的12%，在電池包使用進程中，嚴重的體積變化會造成材料結構的破壞，極大影響電池的安全性。
技術道路上必須追求能量密度和安全可靠的兼顧，談及硅負極材料新技術的多數企業還未給出切實的安全性證明。而固態電池則是另一個前進的方向。
固態電池與目前主流的傳統鋰離子電池最大的不同在於電解質：固體電解質替代了傳統鋰離子電池的電解液和隔膜。而固態電池之所以突然大熱，就是因為它在安全性和能量密度上完勝液態鋰電池，同時，數據表明，固態電池的理論溫區更廣，高溫低溫性能表現優異，能有效防止續航縮水。
中國工程院院士陳立泉指出，鋰離子電池以其高能量密度、高效率和低自放電率在電動汽車中佔據主導地位，然而，鋰離子電池內含有易燃的液體電解質，容易引起安全問題，這阻礙了鋰離子電池的廣泛應用。“同時它的能量密度已經到了300瓦時/公斤，達到了液態鋰離子電池性能極限。”陳立泉建議，新一代電池要發展固態鋰電池或者全固態鋰電池。
與傳統鋰電池相比，固態電池最大的區別在於利用固態電解質體系代替了目前的隔膜電解液體系，安全性高，無自燃、爆炸風險，同時能量密度顯著高於傳統鋰電池。陳立泉表示，新一代電池下一步就是要發展固態電池，進而逐漸過渡到全固態鋰電池，能量密度可以達到300—450瓦時/公斤。
現階段，固態電池還面臨許多技術障礙。將液態電解液替換成固態，降低了電池的快充性能；電池內部結構在循環過程中物理接觸變差，影響使用壽命；製備工藝較液態電池更為複雜……但是高能量密度和安全性是動力電池研發的共同追求，目前各國都在加緊固態電池研發，以期搶佔技術高點，推動新能源車行業打破消費者的“裡程焦慮”。我國部分企業已進入固態鋰離子電池（半固態電池）中試階段，2025年前或可實現量產。
【記者】 魏泓泉
【統籌】郭小戈
【作者】 魏泓泉；郭小戈
【來源】 南方報業傳媒集團南方+客戶端
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