功率密度與快速充電，攻克新能源汽車技術(shù)難題

在不考慮能量損耗的前提下，電池的化學組成決定了其理論能量密度。化學組成則取決于電極材料和電解質(zhì)。鋰空氣電池的能量密度與汽油接近，這或許是電池可能達到的最高能量密度。由于熱管理系統(tǒng)組件和集流體會增加電池系統(tǒng)的總重量，因而此類組件的設計也會在很大程度上影響電池系統(tǒng)的能量密度。

功率密度與快速充電

電池的功率密度是決定電動汽車效率的關(guān)鍵因素。電動汽車在制動能量反饋或快速充電的過程中，電池需要具備很高的功率密度，才能在短時間內(nèi)重獲大量的能量。由于電池系統(tǒng)在充電時需要相當高的電流密度，而在放電時的電流密度相對較低，這就給電池功率密度的優(yōu)化工作帶來了難題。此外，前面提到的熱管理系統(tǒng)和集流體，以及電極、隔膜、電解液等電池基礎組件的設計均會對功率密度的優(yōu)化產(chǎn)生重要的影響。

使用壽命、可靠性和安全性

使用壽命是電池設計過程中需要重點考慮的因素，它與電池的安全性和可靠性密切相關(guān)。放電、損耗和故障都應當以可控、可監(jiān)測的方式緩慢地發(fā)生。電池的使用壽命不僅與其化學成分有關(guān)，電池系統(tǒng)的設計也同樣會對使用壽命的長短產(chǎn)生影響。舉例來說，不均勻的電流密度分布、不良的充/放電控制和熱管理系統(tǒng)都可能會加速電池的損耗，增加故障發(fā)生的概率。由金屬沉積引發(fā)的短路很可能會造成電池系統(tǒng)性能的降低，并可能導致熱失控的發(fā)生。因此，為實現(xiàn)對電池系統(tǒng)狀態(tài)和故障風險的持續(xù)監(jiān)測，健康狀態(tài)監(jiān)測是電池設計過程中必不可少的一項技術(shù)。

成本

相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機中機械動力總成的優(yōu)化程度而言，針對高功率電池和電機動力總成的優(yōu)化還不完善。相信當電池組件實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)后，其生產(chǎn)率將會得到提升，同時能夠降低成本。

可持續(xù)性

可持續(xù)性同樣是新型電池研發(fā)中不能忽視的因素。相關(guān)部門須針對與新型電池有關(guān)的原材料開采、回收、生產(chǎn)和處理工藝等問題制定相關(guān)政策?？沙掷m(xù)性是一項主要由政府主導的法律問題，然而電池制造商和汽車公司也應當肩負起商業(yè)責任。

建模與仿真

建模和仿真工具可以幫助研發(fā)人員對電極、電解質(zhì)和隔膜等電池基礎元件進行分析及優(yōu)化。同時，熱管理、集流體和健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)也可以使用高精度的多物理場仿真進行開發(fā)。

圖 1 顯示了電池組冷卻板中通道的優(yōu)化模型。熱管理裝置是汽車行業(yè)中的常見應用，例如，菲亞特研究中心（Fiat Research Center）使用數(shù)值建模研究混合動力汽車中軟包電池的熱管理系統(tǒng)。

圖 1. 液冷式電池組溫度曲線的多物理場仿真結(jié)果。流體流動和溫度取自三維模型，集總的一維模型被用于計算鋰離子電池的熱源。

通過將基于電化學阻抗譜（electrochemical impedance spectroscopy，簡稱 EIS）的實驗測量法與數(shù)值模型相結(jié)合，研究人員能夠有效地推動電池組件的基礎研究及健康狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的開發(fā)，請參考法國研究機構(gòu)——原子能與可替代能源委員會（CEA）發(fā)表的文章。圖 2 中展示的仿真 App 可以導入實驗數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)用于 EIS 物理場模型中。該 App 支持計算電極活性、表面積、不同組件的電導率、反應物和產(chǎn)物的質(zhì)量傳遞屬性，以及電極的荷電狀態(tài)等各類參數(shù)。

圖 2. 此仿真 App 的作用是解釋電化學阻抗譜（EIS）的實驗測量結(jié)果，并展示如何使用模型和測量數(shù)據(jù)來評估鋰離子電池的性能。仿真 App 將 EIS 測量方法的實驗數(shù)據(jù)作為輸入，對測量結(jié)果進行模擬，然后基于實驗數(shù)據(jù)運行參數(shù)估計。