英7大高校聯(lián)合成立“法拉第電池挑戰(zhàn)計劃”項目研發(fā)未來電池技術(shù)

在推動高端自動駕駛的電池研發(fā)與提升制造能力方面，研究型大學(xué)正扮演著越來越重要的作用。目前，在歐洲幾個最新的多方合作項目中，有一個由英國政府投資的項目，就很好地完成了為頂尖大學(xué)與汽車產(chǎn)業(yè)牽線搭橋的任務(wù)，這個項目就是“法拉第電池挑戰(zhàn)計劃”（ Faraday Battery Challenge）。（小編注：該計劃與Faraday Future汽車沒有任何關(guān)系）

為幫助完成這一計劃，法拉第電池研究機構(gòu)應(yīng)運而生。這個最近才官宣成立的研究機構(gòu)，將協(xié)調(diào)英國的學(xué)術(shù)研究團隊和行業(yè)公司，積極開展研究合作。該機構(gòu)將整合七所英國頂尖大學(xué)的資源，力求在電池技術(shù)的基礎(chǔ)研究上加快進展。七所高等學(xué)府分別為華威大學(xué)、帝國理工學(xué)院、倫敦大學(xué)學(xué)院、劍橋大學(xué)、牛津大學(xué)、紐卡斯爾大學(xué)和南安普頓大學(xué)。

捷豹的I-PACE電動SUV搭載的是電能90千瓦時的鋰電池包，這款概念車將在短時間內(nèi)投產(chǎn)

英國華威大學(xué)制造集團高級推進系統(tǒng)教授David Greenwood前不久接受了SAE歐洲部編輯Stuart Birch的采訪，透露了不少有關(guān)這一新機構(gòu)的信息。

David Greenwood教授談到電池技術(shù)的未來發(fā)展時說：“我們需要其他能源技術(shù)來幫助實現(xiàn)突破?！?/span>

SAE：據(jù)說該機構(gòu)的目標是要在電池研發(fā)上探索出“獨具匠心的技術(shù)”。能講一下這些技術(shù)大概的情況嗎？效果最顯著的領(lǐng)域是哪些？

法拉第機構(gòu)的核心理念就是要做“有應(yīng)用潛質(zhì)的基礎(chǔ)研究”。也就是說，要讓相同領(lǐng)域的科學(xué)家和技術(shù)專家一同開展工作，著眼于未來技術(shù)，并將這些跨時代的技術(shù)投入應(yīng)用。

在開始階段，我們會把重點放在汽車行業(yè)，因為在這一領(lǐng)域急需低碳解決方案。但事實上，其他部門像是電網(wǎng)、海運、航空航天等領(lǐng)域，也都會在我們的研發(fā)范圍內(nèi)。

法拉第研究機構(gòu)所進行的研究課題，都是業(yè)內(nèi)公認困難重重的項目，因此研究的重心都會放在那些最阻礙研發(fā)進展的疑難問題上。而在電池技術(shù)研發(fā)方面，最先考慮的幾大問題將會是電池性能衰減、多尺度數(shù)值建模、固態(tài)電池以及電池再利用/循環(huán)經(jīng)濟等。

這其中有一個十分重要的想法，就是項目無論怎樣調(diào)整，投入的重點始終放在有望加快研發(fā)進展的部分。我們將會有意識地擴大研發(fā)范圍。電化學(xué)和材料技術(shù)很重要，但我們不會拘泥于此，而是要從更廣的角度考慮系統(tǒng)、設(shè)計、制造以及集成等問題，這些都會對技術(shù)研發(fā)產(chǎn)生巨大影響。因此，我們會讓不同學(xué)科領(lǐng)域的專家——包括化學(xué)家、工程師、數(shù)學(xué)家、經(jīng)濟學(xué)家以及物理學(xué)家等等，共同協(xié)作，攻克難題，

SAE：外界普遍認為，能量密度過低、成本過高、車重太大以及充電時間太長等問題，始終困擾著電動汽車的進一步推廣。您有信心成功且圓滿地解決這些問題嗎？

可以看到，鋰電池技術(shù)的發(fā)展很快，如今已使用在了電動汽車上。舉例而言，電池的體積能量密度在15年間已經(jīng)翻了一番，而成本則在近5到10年間減少了75%。我們認為這些都是技術(shù)優(yōu)化、部件量產(chǎn)以及市場活力提升的成果。

研究顯示，通過不斷優(yōu)化當前系統(tǒng)、研發(fā)新型化學(xué)技術(shù)，及整體系統(tǒng)的設(shè)計與整合，技術(shù)上獲得持續(xù)提升不無可能。

而這方面的挑戰(zhàn)在于新的技術(shù)目前尚處于“概念論證”階段，要得到完全認可并作為量產(chǎn)產(chǎn)品走向市場，則還至少需要8到10年的時間。

如今我們用在電動汽車上的化學(xué)技術(shù)，都是這數(shù)十年來實驗室研發(fā)的成果。商用汽車電池是長期研發(fā)的結(jié)果，通過反復(fù)優(yōu)化和驗證，最終得以大批量生產(chǎn)，以滿足不同特殊需求，普及到整個行業(yè)。

這也是為什么協(xié)作研究、開發(fā)和擴大再生產(chǎn)都不可或缺?；A(chǔ)的電池動力創(chuàng)新只是萬里長征第一步。這一技術(shù)要落實到各種具體應(yīng)用上，就會涉及更高標準的質(zhì)量、耐用性、安全性和其他性能，因此，急需進一步研發(fā)來應(yīng)對生產(chǎn)制造過程中各種錯綜復(fù)雜的情況。

SAE：鋰電池技術(shù)是否有可能解決電池動力研發(fā)的中期挑戰(zhàn)呢？燃料電池的情況又是如何？

考慮到既有產(chǎn)品的成熟度以及對其他動力能源的研發(fā)需求，業(yè)內(nèi)普遍認為鋰電池將會是未來8到10年汽車領(lǐng)域最適合的化學(xué)解決方案。

事實上，想要優(yōu)化鋰電池，以滿足汽車應(yīng)用的各種需求，我們還要做很多事情，比如重新設(shè)計電芯的形式和結(jié)構(gòu)，使用硅復(fù)合材料，或是對電池壽命和老化曲線做出更精確的預(yù)測。不過，說到底，電池的材料只是其中一個環(huán)節(jié)。若能提升電池單體、電池模塊以及電池組的效率，就能極大地降低成本，自然益處良多。而盡管很多高校和汽車廠商都在積極跟進燃料電池方面的研發(fā)項目，但燃料電池技術(shù)卻并不在法拉第研究機構(gòu)的計劃之內(nèi)。

SAE：如果鋰電池不能滿足電動汽車長期的需求，對于中長期的供給而言，何種高能量密度的技術(shù)能成替代鋰電池呢？

英國汽車委員會已為發(fā)展未來的電池技術(shù)設(shè)定了宏大目標，將投資的重心放在研發(fā)上，研究領(lǐng)域?qū)⒑w成本、能源和功率密度、電池壽命以及安全性等諸多方面。正如我所言，鋰電池技術(shù)還有很多方面有待優(yōu)化。

然而，如果我們要完成汽車行業(yè)的這些宏大目標，就需要其他替代技術(shù)來推動進步。

我們已經(jīng)對很多鋰電池的替代技術(shù)進行了研究，考察其發(fā)展?jié)摿?。比如，鋰硫電池就在很多?yīng)用中表現(xiàn)出了很高的重量能量密度，但也存在諸如安全性、使用壽命以及體積能量密度不足等缺陷。

固態(tài)電池也在觀察之列，并且確實可以提高電池安全性和能量密度。不過目前從生產(chǎn)制造的角度而言，應(yīng)用成本還是太過高昂。

值得注意的是，替代技術(shù)只強調(diào)提升能量強度是不夠的。有些替代品——像鋰空氣電池，能量密度很高，但功率密度卻不夠，而這恰恰是汽車業(yè)的發(fā)展所不可或缺的。

舉例而言，有時我們可能會為不同的汽車市場制定相應(yīng)的解決方案，對高端市場和低端市場的處理方式會有所不同，而續(xù)航里程也未必是決定性的因素。另一種化學(xué)技術(shù)——鈉離子電池也已投入市場，或?qū)⒊蔀殇囯姵卦诘投耸袌龅奶娲?。對于注重成本控制，而并不需要將能量密度最大化的汽車而言（如成本極低的車輛或輕型汽車），鈉離子電池是十分理想的選擇。

SAE：汽車業(yè)是否應(yīng)該認清事實，停止有關(guān)電池是否越大越好的爭論，而去思考在路面上實現(xiàn)無線動態(tài)充電的可能呢？目前這些潛在的解決方案是否太過遙遠，要建設(shè)充電基礎(chǔ)設(shè)施是否也太過復(fù)雜？

汽車行業(yè)急需新型的低碳解決方案來取代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機，因而正成為這一領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。法律法規(guī)也在推動這一進程的進展，國家和城市地區(qū)的相關(guān)政策也都將繼續(xù)關(guān)注減排和空氣質(zhì)量的提高。

建立高度依靠基礎(chǔ)設(shè)施的充電解決方案是一項非常復(fù)雜的工作，不僅需要跨部門協(xié)作，也需要國家進行更大的投入和干預(yù)。汽車業(yè)正在研制一份電池技術(shù)“路線圖”，就現(xiàn)在到2030年之間的各階段發(fā)展做出詳細的規(guī)劃部署。而基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)所需時間更長，但也需要與電池技術(shù)一同發(fā)展。

電池技術(shù)能很好地匹配乘用車的需求，因為人們能合理安排時間為車輛充電，比如在夜里或是白天上班時都可充電。在短期內(nèi)，這同樣也是一個成本相對較低的解決方案。

而對重型貨車或是商用車而言，電池的續(xù)航能力則將受到更大挑戰(zhàn)。長遠來看或許會采用動態(tài)充電的方案來應(yīng)對這些問題，比如無線充電技術(shù)，或是接觸網(wǎng)與受電弓技術(shù)。

而這一方案的問題是，動態(tài)充電需要實時電力供應(yīng)，這就意味著有些時候可能會出現(xiàn)電能供應(yīng)不上的情況，比如上下班高峰時段。而在路面鋪設(shè)無線充電網(wǎng)給卡車充電則需要每英里（1.6公里）大約一兆瓦的電能。若是如此，則需要為主要道路電網(wǎng)提供新型的發(fā)電系統(tǒng)，以及高功率的連接裝置。這類解決方案大概還需要幾十年的準備，因為要進行覆蓋全國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，不是一朝一夕能完成的。