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(xué)組成決定了其理論能量密度?；瘜W(xué)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(dá)到的最高能量密度。由于熱管理系統(tǒng)組件和集流體會(huì)增加電池系統(tǒng)的總重量，因而此類組件的設(shè)計(jì)也會(huì)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(dòng)汽車效率的關(guān)鍵因素。電動(dòng)汽車在制動(dòng)能量反饋或快速充電的過(guò)程中，電池需要具備很高的功率密度，才能在短時(shí)間內(nèi)重獲大量的能量。由于電池系統(tǒng)在充電時(shí)需要相當(dāng)高的電流密度，而在放電時(shí)的電流密度相對(duì)較低，這就給電池功率密度的優(yōu)化工作帶來(lái)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(chǔ)組件的設(shè)計(jì)均會(huì)對(duì)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(shè)計(jì)過(guò)程中需要重點(diǎn)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(yīng)當(dāng)以可控、可監(jiān)測(cè)的方式緩慢地發(fā)生。電池的使用壽命不僅與其化學(xué)成分有關(guān)，電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也同樣會(huì)對(duì)使用壽命的長(zhǎng)短產(chǎn)生影響。舉例來(lái)說(shuō)，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(huì)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(huì)造成電池系統(tǒng)性能的降低，并可能導(dǎo)致熱失控的發(fā)生。因此，為實(shí)現(xiàn)對(duì)電池系統(tǒng)狀態(tài)和故障風(fēng)險(xiǎn)的持續(xù)監(jiān)測(cè)，健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)是電池設(shè)計(jì)過(guò)程中必不可少的一項(xiàng)技術(shù)。

成本

相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)中機(jī)械動(dòng)力總成的優(yōu)化程度而言，針對(duì)高功率電池和電機(jī)動(dòng)力總成的優(yōu)化還不完善。相信當(dāng)電池組件實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)后，其生產(chǎn)率將會(huì)得到提升，同時(shí)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(mén)須針對(duì)與新型電池有關(guān)的原材料開(kāi)采、回收、生產(chǎn)和處理工藝等問(wèn)題制定相關(guān)政策?？沙掷m(xù)性是一項(xiàng)主要由政府主導(dǎo)的法律問(wèn)題，然而電池制造商和汽車公司也應(yīng)當(dāng)肩負(fù)起商業(yè)責(zé)任。

建模與仿真

建模和仿真工具可以幫助研發(fā)人員對(duì)電極、電解質(zhì)和隔膜等電池基礎(chǔ)元件進(jìn)行分析及優(yōu)化。同時(shí)，熱管理、集流體和健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也可以使用高精度的多物理場(chǎng)仿真進(jìn)行開(kāi)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(jiàn)應(yīng)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(dòng)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(chǎng)仿真結(jié)果。流體流動(dòng)和溫度取自三維模型，集總的一維模型被用于計(jì)算鋰離子電池的熱源。

通過(guò)將基于電化學(xué)阻抗譜（electrochemical impedance spectroscopy，簡(jiǎn)稱 EIS）的實(shí)驗(yàn)測(cè)量法與數(shù)值模型相結(jié)合，研究人員能夠有效地推動(dòng)電池組件的基礎(chǔ)研究及健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，請(qǐng)參考法國(guó)研究機(jī)構(gòu)——原子能與可替代能源委員會(huì)（CEA）發(fā)表的文章。圖 2 中展示的仿真 App 可以導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)用于 EIS 物理場(chǎng)模型中。該 App 支持計(jì)算電極活性、表面積、不同組件的電導(dǎo)率、反應(yīng)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(xué)阻抗譜（EIS）的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，并展示如何使用模型和測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估鋰離子電池的性能。仿真 App 將 EIS 測(cè)量方法的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為輸入，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行模擬，然后基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)行參數(shù)估計(jì)。