由电动汽车 (EV) 驱动的未来曾经只存在于梦想之中。如今，凭借技术、人才和严谨的测试，它已成为现实。我们始终对电池充满好奇，这次在 Nigel Taylor 的帮助下，一起来看看这场告别内燃机的巨大变革。30 年来，他一直致力于低碳电动汽车领域，最初在汽车行业为捷豹路虎 (Jaguar Land Rover) 和罗孚集团 (Rover Group) 等公司工作。他目前是一名自由职业技术专家，也是 BatteryDesign.net 的创始董事。
因需而设计
设计电池并非易事，而且随着对电芯性能要求的提高，其复杂性也会增加。电池设计和优化过程需要多个领域的专家密切合作：从化学家到机械和电气工程师。这支多学科团队将参与整个过程的各个环节：电芯、模组，直至最终的电池。正如链条一样，电池的强度取决于其最薄弱的电芯。
要设计出高效可靠的电池，需要评估以下五个关键要素：
- 电气：电池可能出现电阻等方面的问题，进而引发电弧或短路等故障。
- 热：电池各处温度需保持一致，才能正常工作。大型电池……电动汽车设计面临的挑战是巨大的。我们在此简要梳理了这些挑战，您也可以收听 Nigel Taylor 做客我们 Modern Chemistry 播客时的完整讲解。
- 机械：车辆可能发生碰撞和事故。电池的设计必须确保在受到物理冲击时，不会因热失控而起火。
- 安全设计：在设计阶段就需要应对与电池使用相关的风险（过热、短路），确保一旦出现问题，用户不会因此陷入危险，例如在出现问题时向用户发出警告。
- 控制：充分了解电池的化学特性，有助于预测其在整个生命周期中的行为，尤其是在接近极限工况时。
当今电动汽车设计面临的科学挑战是巨大的。我们在此简要梳理了这些挑战，您也可以收听 Nigel Taylor 做客我们 Modern Chemistry 播客时的完整讲解。
电池并非千篇一律
不要误以为电动汽车电池只是 AA 电池或手机电池的放大版。试想一下，手机电池大约两年后充电性能就会开始下降，但汽车这样的大件商品，加上运动部件很少、不易出故障，其电池需要使用更长时间。通常，电动汽车的充电次数约为手机的 5 至 8 倍。而且，手机仅靠一个电芯供电，而一辆特斯拉 (Tesla) 汽车则由 6000 个电气连接的电芯提供动力。
手机随身携带，天冷时通常也会被带进室内，因此其所处的温度范围虽然较宽，但并不极端。然而，停放在室外的电动汽车需要配备能够在 -20°C 至 +60°C 范围内有效放电的可充电电池。正是这类担忧导致了电动汽车最初普及缓慢。为此，制造商现在提供了更长的质保期，此举也打消了二手车市场的顾虑。如今，车主可以预期一辆车的使用寿命约为 10-15 年和/或 150,000 英里以上。
汽车电池的放电速度也与手机截然不同。持续使用的手机大约 10 小时放完电，C 倍率超过 10。而在高速公路上平稳行驶时，汽车电池大约两小时放完电；如果在赛道上行驶，20 分钟就会耗尽。这相当于 C 倍率为 2，要设计出能够实现这一点的电池，需要非常精细的管理。
功率方面的问题
一辆高端汽车的输出功率可达 150 至 225 kW。因此，假设要达到这一水平，电动汽车需要超过 200 千瓦 (kW) 的功率。单个锂电芯可产生 3.6V 电压，峰值为 4.2V。如果电池中有 100 个电芯，每个电芯的负极与下一个电芯的正极相连，电压就会提高到 360-420V。根据电流和电压计算功率的方法很简单：
功率 (kWh) = 电流 (Amp) x 电压 (V) / 1000
就能量而言，普通电池的电流为 5Amp，即：360V x 5Amp = 1.8kWh。这个数值仅够行驶 10 km。一种解决方案是将电芯改为并联，即正极接正极、负极接负极。将 60 组由 100 个电芯组成的串联序列并联，理论上可将功率提高 60 倍，得到 300Amp、360V 的电芯模块，这意味着电池容量将达到 108 kWh。发动机蓄势待发之后，下一个需要克服的难关是维持这一功率。这辆电动汽车中的全部 6000 个电芯必须协同如一：电阻和温度水平保持一致。任何较大的温差都会引入大电流，并影响电芯的放电方式。业界希望将电池包运行电压在目前常见水平基础上翻倍至 800V，这只会进一步增加风险和难度。只要其中一个电芯发生故障并产生导电气体，就可能在电池包的 6000 个电芯之间引发电弧。
控制热量
考虑到这一点，保持电池冷却同样难以实现。即使是相对较小的电池，在设计时也包含了冷却结构或泄放装置。但电动汽车必须在至少 400V 的环境下管理散热。理想情况下，目标是采用电气绝缘但热连通的冷却系统。如果冷却系统导电，就可能导致短路；如果冷却介质是流体，还可能发生电解。为解决这一问题，冷却液被容纳在类似于冰箱背面那样的结构中。冷却组件由电气绝缘的外涂层以及位于电池与冷却板之间的导热层组成。目前的解决方案是采用由硅酸盐基涂层和石墨夹层构成的极薄结构。这些重要结构使电芯保持连接、维持串联，同时又使其电气隔离以便散热。当必须确保任一电芯与其他电芯的温差保持在 2 摄氏度以内时，这是一种极具创造性的解决方案。
保持电动汽车电池良好热状态的一大风险，在于确保冷却机构固定到位。无论行驶多么平稳，电动汽车都会产生振动，可能导致冷却组件松脱。一旦各电芯温度不均，它们的老化程度就会不一致。这是一个大问题，因为整个电池包的性能取决于其最差的部分。如果 6000 个电芯中有一个性能衰退，其他所有电芯的能量都无法得到充分利用。而且，由于目前大多数电动汽车电池包无法更换，且设计寿命与整车相同，过早老化令人十分担忧。
电动汽车迄今取得的成就
尽管如此，Nigel 认为，现在是时候对电动汽车的安全性更有信心了。他说：“我们不会担心遥控器里的电池，同样也不必担心汽车电池的安全性。一些电芯中正在添加铌等微量元素，使其更加坚固耐用，而 Formula E（电动方程式）最新的电池包也在能量密度方面实现了跨越式提升。[这些赛车] 在性能上将给人 20 世纪 70 年代初一级方程式赛车的感觉。这 [应该] 会增强消费者对电动汽车寿命的信心，直至电动汽车 [成为] 主流。”
总体而言，他认为电动汽车迈向主流的历程进展顺利。随着近期技术的提升，如今已可以通过手机应用监测电池健康状况。此外，借助高质量数据，部分电池包控制系统管理已经迁移到云端，无论驾驶条件如何，都能根据个人使用情况或最佳体验来定制电池性能。
展望未来？
关于电动汽车电池再利用的讨论很多。这或许能让曾经热衷于“用完即弃”的社会感觉好受一些，但只有在证明具有商业可行性的情况下，电池才可能在汽车中再利用。目前，拆解电池包并确保其安全重新配置的成本实在太高。而且，对于已经经历过高强度使用的电池包，是否值得进行这一过程也存在疑虑。
如果在汽车中再利用电池包不可行，车辆到电网 (V2G) 方面的创新则可能是一条出路。另一种可能是将改作他用的电池用于家庭：白天由太阳能电池板充电，夜间为家庭供电。还有人设想将改作他用的电池组合起来，建设可同时为多辆汽车快速充电的充电站，从而保护电网免受电压骤降影响，并惠及当地社区。
电动汽车或许已经度过了婴儿期，但仍有很长的成长之路要走。我们或许将迎来一个略显尴尬的青春期，同时也将为驾车者和地球带来重要益处。可以肯定的是，未来还将有很多变化。