盘点让汽车更轻、更快、更智能的“颠覆性”技术（上）

来源:电子工程世界发布时间:2022-10-291019浏览

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人们总在想象和憧憬：未来的汽车，将会进化成什么样子？如果有一个标准答案，那一定是更轻、更快、更智能。

以传统燃油车为例，它的进化意味着更低的油耗和排放。调查数据显示，汽车重量每减重30%，燃油效率可提高20%-24%，二氧化碳排放降低20%。
在碳中和的大背景下，汽车轻量化是各大车企竞相追逐的方向。而新能源时代的到来，又进一步为汽车智能化的演进提供了基础。
一方面，新能源汽车的动力系统通常占整车总质量的30%～40%，显著高于传统燃油车动力系统质量和空间占比。
另一方面，对于新能源汽车而言，轻量化意味着更长的续航里程，续航里程是新能源汽车发展的重要生命线。
在轻量化要求下，新能源汽车赛道有了新的游戏规则和玩法，各种轻量化技术得以登上时代的舞台，重新解构和演绎自己。

钻石量子传感器

一般而言，电动汽车电池电流可达到数百安培，然而，能检测到该电流的商用传感器无法测量毫安等级电流的微小变化，从而导致电池电量估计不确定性约10%，这意味着电动汽车的行驶里程可以延长10%，反之，如果提高电动汽车电池电量评估精度，将增强电池使用率。
幸运的是，日本一组科学家已找到了解决方法，他们研究发现一种基于钻石量子传感器的检测技术，在测量电动汽车典型的大电流时，可以在1%的精度内估计电池电量。该研究报告发表在9月6日出版的《科学报告》杂志上。
该研究负责人是东京理工大学Mutsuko Hatano教授，他解释称，我们研发的钻石传感器对毫安电流非常敏感，而且足够紧凑，可以在汽车上使用，此外，我们能在电动汽车嘈杂环境中检测到精度较高的毫安等级电流状态。
在这项研究中，研究人员开发了一个传感器原型，使用两个钻石量子传感器，放置在汽车母线(输入和输出电流的电气接点)的两侧，然而，他们使用一种叫做“差分检测”的技术来消除由两个传感器检测到的常见噪声，仅保留实际信号，反之，使用这种钻石量子传感器能在背景环境噪声中检测到10毫安等级的小电流。
接下来，科学家团队利用两个微波发生器产生频率的模拟-数字混合控制，在1千兆赫带宽内追踪分析量子传感器的磁共振频率，结果发现磁共振频率可实现±1000安的较大动态范围(检测到的最大电流和最小电流之比)，此外，该传感器的工作温度范围较广，从零下40摄氏度至零下85摄氏度，适用于普通车辆的温度范围。
最后，该研究团队对这款原型进行了全球协调轻型车辆测试周期(WLTC)驾驶测试，这是电动汽车能耗的标准测试，该传感器能够准确跟踪-50安至130安的充放电电流，电池电量估计精度在1%以内。
Mutsuko Hatano教授表示，这些发现意味着什么呢？电池使用率每提高10%，电池重量则减少10%，这将使2030年2000万辆新型电动汽车的运行能耗减少3.5%，生产能耗降低5%，这相当于2030年全球交通运输领域二氧化碳排放量减少0.2%。

固态锂金属电池

3分钟内完全充电，生命周期内可循环超过1万次，可持续使用20年——美国哈佛大学对于固态锂金属电池的研究有了新的技术突破。
与目前市场上电动汽车电池所用的传统锂离子电池不同的是，固态锂金属电池使用的是纯金属形式的锂，同时，使用固体电极和固体电解质取代锂离子电池中的液体或聚合物凝胶电解质。
相比市场上的传统锂离子电池，固态锂金属电池充电更快，能量密度更大，电池寿命更长。
美国哈佛大学对于固态锂金属电池的研究可追溯至去年5月，但彼时的技术停留在“10-20分钟内完全充电，10-15年的电池使用寿命”层面上。
此次固态锂金属电池技术新的突破，可以说，直接拉高了电池技术水平的平均线，若真正大规模产业化或将成为解决制约电动汽车发展动力问题的关键，进一步赋能电动汽车行业。
目前，初创公司Adden Energy宣布已获得哈佛大学技术发展办公室授予的独家技术许可，用于推进该技术的商业化，其目标是将电池缩小为手掌大小的“软包电池”。

固态锂金属电池技术并非现在提出的全新概念，此前除了哈佛大学，还有很多公司对此项技术有过学术研究。

2020年12月，Quantum Scape对外宣布固态锂金属电池技术的进展，声称公司的固态电池相比市场上的传统锂电池续航高出80%，用15分钟即可充满80%的电量，且能够提供约16万公里的续航能力。
由于固态锂金属电池技术，QuantumScape曾在短短1个多月股价飙涨13倍，并获得大众集团的两次投资。
在我国，中国科学院物理研究所曾通过采用电子-离子混合导电活性物质作为正极实现100%全活性物质全固态电极，与金属锂负极搭配，构建出高能量密度全活性物质全固态电池，在电极层面上实现了770Wh/kg和1900Wh/L的能量密度。
2021年8月，Sakuú Corporation公司宣布，已开发出3Ah固态锂金属电池，将电池的能量容量提高了100倍，体积能效提高了12倍以上。并计划于2022年初开始量产这种电池。
学术的研究推动技术进展，固态锂金属电池技术在行业内“声名鹊起”，被誉为电池行业的颠覆性技术，甚至被冠以“动力电池的未来”的名号。
除了学术方面的研究，资本也早早布局固态电池领域，固态锂金属电池成为继三元锂电池后，各家角逐的新方向，固态锂金属电池的赛道持续升温。
固态锂金属电池被认为是未来5~10年的主流方向，在市场掀起一股研发和投资热潮。
近几年，包括日本、德国和美国在内的多个国家加大对于全固态电池（固态锂金属电池）的研发，现代汽车等企业也早于在2018年组建团队，进行相关研发工作。
我国对于固态锂金属电池的布局也不晚，早在2017年，赣锋锂业就布局固态锂金属电池的相关产业链，当年就对外宣布，计划以不超过2．5亿元投资建设第一代固态锂金属电池研发中试生产线。并且与固态电池专家、原中科院材料所研究员许晓雄博士达成战略合作协议，目标在3年内实现固态锂电池产业化。此外，像宁德时代、比亚迪等巨头公司均有固态锂电池领域的布局。

钒阳极电池

为了实现电动汽车可以行驶1000英里或手机一次充电可以运行数天的愿景，大多数电池开发商正在竞相生产在相同重量下可以储存两倍能量的电池。
大多数锂离子电池的研究主要集中在提高能量密度上，但初创公司TyFast首席执行官兼联合创始人GJ la O’表示，其研究所不同的是，通过在电池容量方面妥协，以实现快速充电和更长的生命周期。
该公司希望制造一种基于新型钒基阳极材料的电池，这种材料可以在3分钟内充电，并以能量密度为代价运行20000次充电循环。La O'表示，能量密度可能是当今电池的80%到90%。La O'和该公司的联合创始人兼首席技术官Haodong Liu计划在6月初获得的新Activate fellowship的帮助下开发一款商业产品。“我们的重点是比今天的锂电池充电速度快20倍，寿命长20倍。这意味着，我们将提供与上一代设备相同的运行时间，但充电速度非常非常快，以至于你忽略尺寸和能量密度。”
这种折衷方案适用于其预期的始终在线、高利用率的应用，例如需要全天候工作的自动仓库或交付机器人。Tyfast的电池可以通过非常短的快速完成充电来实现这一点。
“今天的机器人平台利用电池组，可以运行8到10个小时，”研究人员表示，“如果你有一个更快的充电电池，那么相当于一个可以运行4到5小时的电池组。更小的电池组将意味着机器人每次旅行携带更多的负载，因此它将更有效率。”
锂离子电池的充电时间受锂离子进出阳极的速度限制。通常用于阳极的石墨现在具有平面结构，离子在层间滑动。
Tyfast取而代之的是一种由锂钒氧化物制成的阳极，这种材料具有类似于食盐的3D晶体结构。离子以三维形式在晶体中移动，使传输速度达到石墨的10倍。
加州大学圣地亚哥分校纳米工程师、Tyfast联合创始人Ping Liu等人于2020年在《自然》杂志上首次报道了LVO阳极，该阳极在充电和放电时的膨胀和收缩也小于石墨。石墨的体积变化率高达10%，而LVO的膨胀率不到2%。la O’解释说，“这可以减少阳极的机械和化学损伤，延长电池寿命。我们的技术正试图克服石墨设定的这种材料限制。”
然而，按重量计，石墨可以比LVO容纳更多的离子，从而提供更高的电池能量密度。一些公司正在开发纳米工程硅或锂金属阳极，其能量密度将是石墨的两倍，以实现更长的电动汽车行驶里程。这些材料的挑战还在于其极高的体积膨胀，可能会使阳极破裂。
Tyfast的LVO阳极可能更坚固，但其更高的成本可能是其缺点。它的价格几乎是石墨的两倍，每公斤超过20美元。la O’表示，具有LVO阳极和镍锰钴（NMC）阴极的电池将比石墨NMC电池贵30%到50%。但LVO的更长寿命可以弥补其更高的成本。他补充道：“如果你将其用于像自动机器人这样的一直在线应用程序中，LVO的持续时间更长，因此你的每个充电周期的成本更低。”
在推出机器人之前，该公司最初的目标是可穿戴设备市场。la O’说，它有几个客户在排队，其中包括一个主要的消费电子品牌。在实验室里，它正在制造信用卡和糖包大小的电池。这些原型使用LVO阳极和商用NMC阴极和电解质，迄今为止，充电周期超过2000次，充电时间不到15分钟。
到今年年底，该团队计划达到20000次循环，且充电时间不超过3分钟。“我们的愿景是使用Tyfast电池的消费电子设备，让你更快地恢复活力，”研究人员说，“想象一下，在你喝杯咖啡休息的时间后，你的设备就会充满电了。”
来源：新智驾等网络内容综合

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