美国德克萨斯大学达拉斯分校与韩国首尔国立大学共同研发出一款全新电池,其采用锰基钠离子材料,该材料或将降低电池成本,且生态环保性更佳,所制成的电池可供电动车使用。
德州大学的Kyeongjae Cho教授表示,他们研发设计的钠离子材料更为稳定,其电池容量可媲美锂离子电池,该类电池具有可扩展性。他们采用钠取代了阳极内占比最大的锂,并用锰取代价格更为昂贵、储量更为稀缺的钴和镍。
基于对其他试验材料的物理特性及化学特性的深入研究,该研究团队采用合理的原材料配比并攻克了技术难题。他们先采用了计算机模拟,进而测定了电池达到最佳性能时各原子的配置,然后在实验室内进行了大量的材料测试直至研发成功。
日本东芝公司宣布开发出新一代电动车专用锂电池,与一般采用石墨作为负极材料的锂电池不同,这种锂电池使用钛铌氧化物作为负极材料,具有能量密度高、可超快速充电等特性。传统电动车锂电池快充30 min也只能充到约80%的电量,新一代锂电池快充仅需6 min就能充到90%的电量。东芝公司测试用的电动车充电6 min后最终行驶了约320 km。这种锂电池在充放电5 000次后,依然可以维持90%以上的电池容量,且在-10℃的低温环境下仍能快速充电。
目前,东芝公司已做出了容量为50 A·h、巴掌大小的新一代锂电池样品,并计划对其进行完善,争取在2019年推出正式产品。
麻省理工大学(MIT)的研究人员提出,若采用表面光滑的固态电解质,可防止有害的锂渗透现象出现,进而提升固态锂离子电池的性能。
研究人员试图解决这类问题,向固态电解质内添加了陶瓷等其他材料。尽管固态电解质能解决电解液的易燃性问题,但经测试,这类材料的性能不太稳定,树突的形成将导致短路故障,该问题一度成为锂电池的技术难题。
新研究表明,电解质表面的细微裂纹及划痕将导致金属物的积聚。积聚物是从树突的尖端开始,而非从其基部开始,进而导致固态积聚物的形成,就像是用个楔子,将裂纹挖得更宽。提升固态电解质表面的光滑度或将消除或极大地减少电池固态电解质树突的生成数量。为避免产生易燃问题,或许未来还会采用固态锂金属电极。此外,该举措或将使锂离子电池的能量密度翻番。
德国汽车初创公司Sono发布了太阳能电动汽车Sion,该车共配置了5个座椅,可以拉动约748 kg的拖车,最高车速可以达到140 km/h。其车长约4 m,拥有330片太阳能电池板覆盖车身周围,从车顶、发动机盖及车身到车尾都覆盖了单晶硅太阳能电池。在太阳能电池上面还涂覆了一层8 mm厚的聚碳酸酯,具有抗振、防风雨及轻量化的特性。此外,在仅依靠太阳能充电的情况下,Sion充电一个白天可以提供约29 km的续驶里程。
Sion还安装了一个30 kW·h的电池组,可以像传统电动汽车一样插电充电。按照相对简单的新欧洲行驶循环NEDC标准,Sion的续驶里程可达约250 km;根据推算,Sion在美国EPA标准下的续驶里程约161 km。
Sono汽车公司同时表示,Sion太阳能汽车还可以当作一个移动能量站。接入标准的家用充电设施后,Sion能够驱动高达2 700 W的设施。当然,使用了合适的充电器之后,Sion还可以为其他电动汽车充电。
三菱电机开始量产安装于汽车曲柄轴上的启动/发电一体化电机(IGS)系统,该设备可供48 V混动车辆使用。
皮带式ISG系统采用了皮带将动力从电机传输到发动机上,该设备可通过力矩突变传输来限制最大扭矩及电机的峰值功率输出。相较于带式驱动IGS,将电机直接连接到发动机曲柄轴上后,不仅消除了输送带系统的限制,还增强了电机的输出功率及发电量,进而提升了燃油经济性。
梅赛德斯奔驰计划在2018年推出针对电动汽车的无线充电系统,旨在为插电式电动车的业主免除有线充电的痛苦。这种无线充电技术将需要对汽车进行硬件更换,该系统依赖于感应充电,这与无线充电垫可用于智能手机无线充电的技术类似,但是涉及更高的功率水平。
感应充电垫被放置在车库或车道的地板上,车库或车道将动力传递到安装在汽车下侧的接收器板。当汽车进入充电垫的范围时,汽车显示屏上的指示灯将引导用户进入有效充电的最佳位置。
里卡多研发了新款电动车电池管理系统(BMS),该系统具有可扩展性,产品适用性强。新款BMS强化了基于车型的先进车载电池控制方法,进而对当前及下一代电池的性能进行优化。
由于车型及车载蓄电池差别迥异,其对产品的要求也千差万别。为此,里卡多电池管理系统提供了一款可扩展型产品,其处理能力的性能区间在 90×106~800×106个/s(指令)。
处理能力的提升使汽车得以采用更为成熟的电池管控系统。该款BMS产品可基于车载电池的内部瞬时温度等参数对电池的使用状态进行预测,特别适用于评估全新的化学电池。该BMS将仔细监测车载电池及其蓄电池,全方位地精密控制电池的性能表现,助推电池的研发及评估。
东京工业大学的研究人员研发出无锗固态电解质,可降低固态锂电池的成本,并致力于将该项技术应用到电动车、通信及其他行业中。
Li10GeP2S12(LGPS)是结晶硫电解质产品系列的新成员,其导电性为1.2×10-2s/cm,可媲美有机液态电解质。全固态电池LiCoO2/LGPS/In-Li采用LGPS电解质,其充放电性能相当出色。然而,锗元素价格相对较贵,或将限制LGPS材料的广泛应用。
研究人员采用化学稳定性更强的锡与硅替代固态电解质内的锗元素,保留了相同的LGPS框架结构,对锡、硅及其他成分原子的速率及位置分布进行了精密调整。其研究成果LSSPS材料在室温下的锂离子导电性为1.1×10-2s/cm,几乎接近最初的LGPS结构的性能。
尽管还需要进行进一步的调整,研究人员可根据其不同的用途来优化材料性能,为降低生产成本带来了新希望,且不必牺牲材料的性能。
该材料的稳定性高,充放电能力强,在20次充放电周期内,其容量保持率高。相较于液态电解质,新材料提升了锂离子的导电率。
美国德雷塞尔大学的研究人员设计了新款锂电池电极,或许未来电动车的充电耗时只需短短数秒。新款锂电池的电极采用了一款名为MXene的二维材料,其结合了超级电容器与传统大容量电池的优点和特性,导电性相当出色,未来或许能实现电动车的“近即时”充电。
MXene是一款扁平的纳米材料,其外观酷似三明治,由氧化物与导电的碳及金属填充物构成,而氧化物相当于三明治中的面包,将填充物夹在中间。为解决MXene结构不利于锂离子在电池内扩散的问题,研究人员将MXene与水凝胶相混合,研发的大孔隙电极设计实现了锂离子高速移动的目标,使充电过程在短短数秒内完成。
朗盛公司研发了一款名为Pocan AF4130的新型PBT/ASA合金复合材料。该材料应用于一款装载单电池管理单元(BMU)和双电池检测单元(CMU)的外壳材料。PBT和ASA的合金中含有30%的玻璃纤维以及一种卤系阻燃剂。这种材料的特殊优势在于它具有极低的翘曲性和收缩率,并具有很高的阻燃性,在电动车电池的精密零件方面具有很大的应用前景。
该热塑性材料表面的排放量很低,满足许多汽车应用方面,如汽车内部零件对低挥发性和可容许范围内的排放量的要求。该材料对汽车中常用的介质(如燃油、润滑油、清洁剂和汽车保养产品)以及锂电池中常用的电解液都展现出了良好的抵抗性。根据DINEN22088-3标准进行的负载测试显示,样品即使在1000h暴露后也没有看到明显的裂缝。
麻省理工学院研究人员发明了一项充电材料表面处理技术,采用新技术的锂离子电池可在几秒内完成充电。
一块锂电池完成充电一般需要6 min或更长的时间,但传统的磷酸铁锂材料在经过表面处理生成纳米级沟槽后,其和块体材料一样持久耐用,可以重复充放电而不会因老化影响充电效果,电池的充电速度可提升36倍(仅为10 s)。
采用该项技术的锂电池亦具有高放电速度,因此可用于油电混合汽车的加速,使油电混合汽车的速度可赶上采用汽油发动机的汽车。
台湾车辆研发联盟(TARC)研发了一款两座式电动车,其车身制造采用了3D打印制造技术。该电动车配备了6.6 kW·h的锂离子电池,其续驶里程为60~100 km,最高车速为60 km/h。
该款电动车的车身及内饰均由塑料制成,但出于安全考虑,车门采用钢板制成。车身所用材料为聚乳酸(PLA),由植物源性淀粉制成。采用该材质可降低汽车行驶及汽车制造时的环境载荷。该车车架由铝材制成,质量为98.7 kg。若将车架后侧进行扩展,有可能制成三座式皮卡。若更改铝质车架的外形,还可将其用于制造双轮车辆及自行车。TARC旨在提升生产规模,将成本降低30%~40%。
与常见的车辆不同,该车并未采用硬壳式结构,其车身及车架的设计是独立进行的,仅靠车架就能达到汽车碰撞所需达到的安全要求。为此,其车身外部件的设计空间及应用灵活度颇大。
该款电动车的尺寸规格(长宽高)为2 780 mm×1 440 mm×1 570 mm,其轴距为1 770 mm,发动机的最大动力输出及峰值扭矩分别为7 kW和44 N·m。
丰田正在研发由全固态电池提供动力的电动车。该动力电池将大大提升电动车的续驶里程,并缩短充电时间。这款电动车或将于2022年上市销售。
丰田全新电动车将基于全新平台打造,使用固态电池提供动力,充电时间可缩短至几分钟内。全固态电池里面没有气体和液体,所有材料都以固态形式存在。由于固态电池采用的是固态电解质而非液体电解质,比目前市场上的锂离子电池更安全,此外它还有轻、薄及柔性化等优点。相比之下,目前主流电动车使用的锂离子电池,即使在快充模式下充满电也需要20~30 min,而它们的续驶里程基本都在300~400 km范围内。
Xtrac为一体化轻型电动车(ILEV)研发了2款新传动系统。2款变速箱(P1166与 P1227) 的质量分别为17~20 kg 与 28~45 kg,具体数值视各应用要求而定。产品可实现大功率密度。尽管2款产品均采用了紧凑型封装,各变速箱的最大转速与峰值扭矩分别为10000r/min以上及1000N·m。
P1166拥有锥齿轮传动装置及差速器,而P1227则配有一套横向电机装置,后者可兼容单电机或双电机输入值,还能通过差速器进行相关设置,并提供矢量扭矩能力。经优化后,可提升2款变速箱的道路行驶性能及耐用性。
Xtrac的总经理表示:“公司电动车变速箱系统的设计理念定位高性能电动车在无声运行、创新型封装、能量密度及高能效等方面的需求。”
丰田的新型电动汽车将使用全固态电池,只需几分钟就可以完成充电,使得充电过程与现在加油的时间差不多。丰田公司认为,在新一代电池中,固态电池是最适合应用在电动车上的。据丰田的设计,下一代电动车的电池更紧致,可以将它们安装在座椅下方,就不会占用太多空间,可以使汽车内部更舒适宽敞。
固态电池最大的不同是电解质的形式,电池靠着化学物质的电子交换而生电,而中间的介质大多是液态或糊状,所以电池放久了就会漏液。锂电池发明人约翰·古德诺教授提出玻璃状介质技术,使得许多厂商开始投入固体电池的相关研发,主要是设计大量制作的合理流程,才能够商业量产。
以色列纳米技术公司StoreDot推出一款“超快速充电”电池FlashBattery,该电池可在短短5 min内完成充电,并支持电动汽车续驶300英里(约483 km)。
FlashBattery融合了多层纳米材料和有机化合物,将大大减少充电所需时间。在StoreDot模块上运行的汽车将配备40个“小袋”,每个小袋中都包含FlashBattery技术,由被称为多肽的氨基酸短链转化而成的“纳米点”组成,“纳米点”呈分层结构排列。这些小袋合并后组成了一个充电模块。
StoreDot称,该技术打破了传统石墨锂离子电池的局限性,且比锂电池更安全,因为它不易燃,燃烧温度更高。该技术现在处于研发的高级阶段,将在3年之内正式发布,彻底改变电动汽车的充电方式。
由于塑料受限于散热等因素,许多特殊应用均未采用该材料。密歇根大学的研究人员采用了一种新方法,通过化学工艺,使塑料紧密缠绕的分子链扩开并强化其结构,为塑料材质创建了一条散热路径。先将塑料聚合物溶于水,再加入电解质,提升其pH值。聚合物链内的各链接将携带负电荷,使其彼此排斥、扩散并展开。此后,研究人员又采用了一种名为“旋转涂膜法”的工业生产工艺,将该溶液制成固态塑料膜。
这项新的热能工程工艺或将被用于轻量化塑料部件的制造中,这类新塑料或许能使产品的质地更为轻盈,在降低其售价的同时提升材料的能效。由于汽车质量对电动车的续驶里程有直接影响,新款轻量化塑料或将有助于提升电动车的续驶里程。
大陆公司正在研发一款“新概念车轮”,以便满足电动车的特殊要求。
为提升汽车的续驶里程,大陆在该产品中采用电机来实现制动功能,使电动车在减速时能产生尽可能多的电能,并储存到车载电池中,实现电能恢复功能,进而延长汽车的续驶里程,还能避免频繁地采用车轮制动。新概念车轮的制动盘则采用耐腐蚀的铝材,防止设备生锈(铸铁制动盘通常会生锈),进而提升制动效能。
由于其采用了轻量化材料,新概念车轮实现了车轮及制动器的减重,助推了电动车的轻量化构造设计。该款概念产品的好处还在于,对车轮及制动垫块的改动将变得更容易,制动盘的耐磨损性更强。
在2017法兰克福车展期间,三星向外界展示了一款全新的“多功能电池组”解决方案,该方案能够进一步提高电动车的续驶里程。
这种电池组的用户可以按照自己的需要来改变电池组中的模块数,这就像从一个书架上拿走书本一样简单。例如:如果一辆豪华电动车安装了由20个模块组成的电池组,那么它的续驶里程就可以达到600~700 km,比当前续驶里程最长的电动汽车电池要高出了近50%;而如果一辆普通电动轿车安装了10~12个模块,则其续驶里程就会在300 km以内。这种电池组将会吸引汽车制造商的关注,因为凭借这种电池解决方案,汽车制造商可以设计这样一款电动车,其续驶里程的大小取决于自身所安装电池组中模块的多少。
2018款宝马530e混动汽车将配有无线充电系统配件,该功能目前正在宝马530e iPerformance工厂进行测试。
具体使用时,客户只要将车停于充电板上后熄火,无线电充电功能将自动启动。宝马530e搭载9.4 kW·h电池,大概需要3.5 h就可以充满,充电速度比3.7 kW的车载充电器要慢一些,仅供2018款宝马530e在电动模式下能行驶26 km。
该技术可以在不使用电缆的情况下进行能量传输。该系统由一个可以安装在车库的集成初级线圈基座构成,车库的上层可以安装一个次级线圈。在2个线圈之间产生交变磁场,电力以高达3.2 kW的充电速率进行无电缆传输。这种高压电池供电的形式对客户而言极为方便。