电池，汽车开发的新挑战

传统汽油车也配备电池。然而，它用于帮助启动发动机和操作空调等电气设备。这里使用的电池是铅酸电池，其输出功率较低，但使用方便且安全性较高。^*1就足够了。

1997 年，丰田汽车公司的普锐斯首次使用电池作为汽车的动力源，这是世界上第一款量产的混合动力汽车。然而，它不仅仅依靠电池运行。混合动力汽车中安装的电池是镍氢二次电池，其输出功率足以驱动车辆，价格便宜且安全性优异。^*2被使用了。

另一方面，电动汽车与传统汽车有很大不同，因为它们始终仅依靠电池运行。由于需要仅利用电机的驱动力来应对行驶时的各种情况，因此高性能的电池必不可少（图1）。目前市场上的电动汽车使用锂离子二次电池来满足这些严格的要求。^*3

[图1]依靠电池作为全部动力源的电动汽车必须配备高性能电池
安装在传统汽车上的铅酸电池（左）、安装在电动汽车上的高性能锂离子二次电池（右）
照片：Adobe Stock

电动汽车电池既需要具有能够实现长距离驱动的耐力，又需要具有瞬时功率，以便根据需要立即向电机发送大量电力。电池性能主要通过两个指标来表达。能量密度（单位为Wh/kg或Wh/l）影响续航距离，功率密度（单位为W/kg或W/l）影响车辆加速度、扭矩（旋转力）、充电时间等。锂离子二次电池在这两项指标上均优于镍氢二次电池。此外，寿命长^*4它具有非常容易用作汽车电源的特性，例如自然放电很少并且能够充电。

降低电动汽车电池成本的四种方法

当前的锂离子二次电池已发展到充满电时的续航里程可达 400 公里，可与发动机驱动的车辆相媲美。然而，在被发动机驱动的车辆取代之前，仍有许多问题需要解决。除非这些问题得到解决，否则就不可能创造出有吸引力的电动汽车。首先，我想整理一下剩下的问题和解决方法（图2）。

[图2]电动汽车电池的遗留问题及对策
创建者：伊藤元明

目前最大的挑战是成本。根据能源行业研究机构彭博新能源财经的数据，2010年电动汽车电池的成本为每千瓦时1,000美元。2016年这一成本降至273美元，在短短6年内下降了约1/4。电动汽车需要配备极大容量的电池，小型车为40千瓦时，跑车为100千瓦时。因此，如果简单计算一下，仅电池一项就需要12万到30万日元。如果包括管理电池充电和放电的外围部件，则电池相关成本预计约占车辆价格的 20%。

如果我们考虑用电动汽车取代发动机汽车，进一步降低电池成本至关重要。目前，降低成本的途径主要有四种。

第一个方法是通过改进生产技术来发挥批量生产的效果。随着从发动机汽车向电动汽车过渡的进展，电池产量自然会增加。开发生产技术的工程师将能够展示他们如何高效地生产大量产品的技能。当然，电池制造商加大资本投入也势在必行。

二是通过增加电池的多功能性来扩大应用领域。锂离子二次电池不仅用于电动汽车，还用于笔记本电脑和家庭太阳能发电系统等便携式设备的电池。还可作为智能家居的蓄电池。如果相同规格的电池可以用于更多用途，则可以批量生产一种类型的电池，从而降低成本。

第三个目标是通过提高能量密度来减少每辆车电池的体积和重量。如果每个电池单元的容量增加，则安装的电池数量可以相应减少，从而降低成本。此外，如果安装的电池较少，电池的重量也会减轻，从而提高性能。另一个好处是能够增加车内的居住空间。

第四是建立使用廉价电池材料的技术。锂离子二次电池使用许多所谓的稀有金属，例如锂和钴。因此，原材料成本较高。有必要开发技术，使用更便宜、更容易采购的材料来制造性能等于或优于现有电池的电池。^*5。

最容易劣化的电池决定了整车的寿命

成本之后的下一个最大问题是电池老化。随着二次电池反复充电和放电，其容量逐渐减小，并且在某一点，容量突然减小。通常，锂离子二次电池在充放电700～800次后劣化加速。随着电池的老化，电动汽车的续航里程将会变短。

当今的汽油车在使用过程中不会损失其油箱容量。然而，电动汽车却会发生这样的事情。到现在为止，二手车市场之所以成立，汽车之所以具有资产价值，是因为只要保养得当，性能几乎不会恶化。然而，电动汽车电池完全是消耗品，需要多次更换才报废。即使是小型电动汽车，更换新电池的费用也超过60万日元，相当于购买一辆新的轻型汽车。

EVでは、セルと呼ばれる基本単位の电池を复个数组み合わせて、高电圧、大容量のバッテリーシステムを构成して使っている^*6虽然单个电池本身的劣化是一个问题，但系统层面的劣化问题更为严重。每个细胞的存储容量都有个体差异。即使新电池时看起来没有差异，但随着电池的反复充电和放电，差异逐渐增大。如果过度充电，会产生热量并变得危险，因此即使电池系统中的一个电池充满电，所有电池都会停止充电。换句话说，劣化最严重的电芯的寿命决定了整个电池系统的寿命。

この课题を解决する方法は、大きく2つある。1つは、劣化しにくいセルを开発すること。另一个是控制电池的充电和放电，使所有电池老化前面は电极や静止液などの材料开発が重要になり、夜间は制御技术の开発が焦点になる。それぞれの具体的な方法は后述したい。

充电站等待时间过长是最糟糕的用户体验

此外，充电时间长也是电动汽车全面普及时必须解决的问题。即使使用快速充电器，当前的电动汽车电池充电至最大容量的 80% 也需要大约 30 分钟。与汽油车的加油时间相比，这似乎是相当长的时间。续航里程短的车型需要频繁充电。如果充电站已满，则在充电站等待充电可能会带来糟糕的用户体验（图 3）。

[图3]如果电动汽车充电站充满，这将是最糟糕的用户体验
照片：Adobe Stock

特斯拉这家美国公司有意识地安装了大容量电池，以消除充电时的这种顿挫感。目的是尽可能延长续航里程并减少充电频率。如果减少电池的充电次数，就可以减缓电池老化的速度，因此可以一石二鸟。然而，电池自然又重又贵。这些措施是可能的，因为该公司的汽车是豪华汽车，可以配备高输出电机。这并不是一项适用于所有电动汽车的措施。为了缩短更多电动汽车的充电时间，开发高功率密度的电池至关重要。

Improper charging and discharging can be dangerous

此外，还存在提高安全性的问题，这对于依赖人们生活的电动汽车电池至关重要。主题是智能手机用锂离子二次电池的异常发热和火灾。

電極間を液体の電解質でつないだ構造の電池は、使っている間にガスが発生する。リチウムイオン2次電池では、正しく使っても可燃性の炭化水素ガスが発生するのだ。しかも、過充電状態で使うと正極の結晶構造が崩壊し、酸素が発生する。これら可燃性のガスと酸素が、燃えやすい有機溶媒で満たされた密閉された容器中に溜まれば最悪、爆発の危険性もある。

そこで、安全性を抜本的に高めるためには、電極や電解質の材料を安全なものに変更する必要がある。ただし、これは性能とのトレードオフがあるため簡単ではない。このため、対処療法的な対策として、危険な状態にゥらないように、セルの温度や充值の状态を管理する制御技术を投入している。

用系统技术补齐现有电池的缺点，用材料开发大刀阔斧

目前，电动汽车用锂离子二次电池的技术开发正在从各个角度取得进展，以解决“降低成本”、“抑制劣化”、“缩短充电时间”和“提高安全性”等问题。技术开发的主要途径有两种。

一是系统级措施，以弥补当前单元的弱点。这包括改进电池系统的配置以及引入充电和放电的精密控制技术。另一种是严厉的措施，涉及改变构成电池的材料，例如正极、负极和电解质。对于前者，我想介绍一下技术发展的最新趋势，重点介绍特斯拉的技术，特斯拉是该技术的领先者，而对于后者，则来自各个公司和研究机构的努力。

敢于细分电池，降低成本，抑制劣化

一项旨在通过组合许多小容量电池来“降低成本”和“抑制劣化”的技术已投入实际应用。特斯拉正在其“Model S”和“Model X”中添加“18650电池”，这是一种用于笔记本电脑的小容量电池。^*7''，实现高达85kWh的大容量（图4）。通过使用非汽车专用的通用电池，他们成功地通过大规模生产降低了成本。此外，所使用的电池具有丰富的使用记录，可以从多种产品中进行选择。因此，很容易获得可靠性高的电池。

【图4】特斯拉的Model S电池系统由大量小容量电芯组成
电池系统的外观（左）和每个安装的电池（右）
来源：特斯拉汽车俱乐部主页

如上所述，整个电池系统的寿命是由寿命最短的电芯决定的。此外，除非严格控制每节电池的充放电状态，否则无法确保安全。也就是说，随着细胞数量的增加，管理的难度也相应增加。这就是为什么只有拥有先进技术的公司才能采用这种多单元配置。

电池管理系统 (BMS) 对于抑制电池劣化和确保安全的电池管理至关重要。它检测整个电池系统的电压和剩余容量，监控每个电池的输入/输出电流、电压和温度，并针对过度放电和过度充电发出警告，以及控制专用充电器。

电池在高温和低温下会迅速老化。特斯拉的电池系统使用液体作为介质来冷却和加热电池，同时通过BMS严格控制温度。这种类型的温度控制在笔记本电脑和智能手机的电池中是前所未有的。此外，利用电池系统由大量电池组成的事实，充电和放电期间每个电池上的负载被分散以均衡劣化。通常，这种多电芯负载分配管理技术称为电芯平衡技术，是BMS的重要功能之一。然而，没有其他公司能像特斯拉那样管理多达 7,000 块电池。

关注细胞个体差异，发挥系统潜力

电池平衡技术是一项重要技术，对电池寿命和寿命影响很大，所以我想更详细地解释一下。该技术旨在消除电池之间的电池容量差异，并最大限度地发挥电池系统的潜力（图 5）。具体地，存储电量较多的电池优先放电，存储电量较少的电池优先充电。这使得整个电池系统能够利用其所有存储的电量，从而增加可用于充电的电量。

[图6]细胞平衡技术的工作原理
创建者：伊藤元明

一般来说，电池平衡技术有两种方法。一种是被动方法，使用放电开关优先对电压较高的电池（存储电量较多的电池）进行放电。^*8另一种类型是主动方法，在相邻电池单元之间交换电流以平衡电池单元的充电状态。其中，为了充分发挥电池系统的潜力，需要采用主动方式。

特斯拉使用的多电池系统以及管理它们的先进 BMS 符合信息处理、通信和电源管理方面的技术趋势，这些技术趋势已将系统配置从集中式系统转变为分散式系统。基于这一想法，有人提出进一步强调权力下放的好处的建议。

美国公司 Linear Technology（现为 Analog Devices）和德国公司 BMW 联合开发了一种使用名为“SmartMesh”的无线网状网络技术的 BMS。这可以进一步提高可靠性、降低成本并有可能扩大范围。 SmartMesh 技术通过 24GHz 无线通信连接每个单元。在用电缆连接电池的典型电池系统中，如果一根电线在一个地方断裂，整个系统就会停止运行。然而，如果它们是无线连接的，即使某些通信路径被切断，小区之间的连接也可以通过自动切换到绕行路径来维持。另一个好处是，通过消除电缆、连接电缆的连接器以及用于驱动的变压器，可以使车身变得更轻。

旨在通过改变细胞的构成材料从根本上解决问题

接下来，我想介绍一下材料技术开发的进展，这些进展改变了构成电池的正极、负极和电解质所使用的材料。一般来说，材料技术的发展比系统技术的发展需要更多的时间。然而，这对电池进步的影响是巨大的，我们可以期待性能的显着提高。

例如，理论上的终极锂离子二次电池据说使用空气作为正极材料，金属Li作为负极材料，固体作为电解质。据说这种情况下的理论能量密度是现有产品的10倍以上。换句话说，当前续航里程为400公里的电动汽车在相同尺寸和重量的电池下将能够行驶4,000公里。它有潜力实现远远超过发动机汽车的性能。

粗略地说，决定锂离子二次电池容量的能量密度是由正极和负极各自可储存的锂离子的量决定的。决定充放电速度的功率密度取决于电解液中锂离子的移动速度以及电极处电子和锂离子的电导率。安全性的提高还取决于对正负极短路引起的起火和电解液起火的抑制程度。正在根据这些准则对各种材料进行测试。

正极使用三元材料可提高安全性和性能

对于二次电池的正极材料，需要选择电压高、充放电效率高、电极密度高（能够储存更多电荷的能力）的材料。就锂离子二次电池而言，钴酸锂（LiCoO₂:LCO)。但由于钴产量少，价格昂贵，采购稳定存在担忧。另一个问题是LCO的晶体结构由于释放过多的锂而不稳定且容易劣化。

因此，汽车正极材料推荐使用三元材料（含有三种主要金属成分）^*9已被采用，并且比 LCO 具有更高的结构、化学和热稳定性。此外，性能也显着提高，使得电动汽车的续航里程可以延长至 400 公里（图 6）。此外，通过使用多种金属，可以减少钴的用量。

[图6]提高二次电池的能量密度
创建者：伊藤元明

さらなる性能向上に向けて、材料開発は継続的に続いている。例えば、硫化リチウム（Li2S）を正極に使うことで、理論的にエネルギー密度が現在の5倍以上に高まることが知られており、世界中で研究開発競しかし现时点では、争充放电中に电池容量が劣势化したり、Li₂S本身是绝缘体，因此很难增加容量。如何解决这些问题已成为技术发展的课题。

硅基合金负极锂离子保留能力提高10倍

另一方面，石墨（LiC₆)。在这里，人们正在积极寻找耐劣化且具有高功率和能量密度的材料。

东芝开发了钛酸锂(Li)，这是一种不易劣化的材料。₄钛₅O₁₂:LTO)作为负极的电池商业化。然而，作为负极材料，电离锂所需的电压较高，为15V，因此其使用仅限于不需要高能量密度的应用。该公司最近成功生产出采用钛铌氧化物作为负极的锂离子二次电池原型，该电池能够超快速充电，容量是石墨的两倍。据称6分钟可充电至90%。此外，即使经过5,000次充放电循环，也几乎没有劣化。

此外，正在开发利用硅基合金作为负极的技术，理论上该合金能够容纳比石墨多10倍的锂离子。硅基合金不仅具有较高的能量密度，而且还具有能够在05V相对较低的电压下电离锂的优点，并且原材料易于获取。另一方面，缺点是反复充放电会导致体积膨胀400%，容易破坏电极结构。为了消除如此大的体积变化，人们正在采取措施将负极材料制成纳米尺寸颗粒、多孔结构和复合材料。

终极电动汽车电池，全固态电池

电解质是目前技术开发竞争最激烈的领域。迄今为止，六氟磷酸锂（LiPF₆））溶解在碳酸亚乙酯（EC）和碳酸甲乙酯（EMC）等溶剂中制成的。这些有机溶剂是容易着火的挥发性液体，挑战在于如何提高其安全性。此外，电解质可能会不平衡，这是降低性能并加速劣化的因素。此外，为了提高功率密度以缩短充电时间，有必要添加使锂离子更容易移动的方法。

因此，现在正在积极开发一种称为“全固态电池”的技术，该技术使用固体材料作为电解质。提高电池安全性是汽车制造商的首要任务。全固态电池不含易燃液体，不会泄漏。此外，由于正负极被固体材料隔开，因此无需担心两个电极之间发生短路。此外，即使在高温和低温下也能稳定运行。这项技术确实适合采取严厉措施来提高安全性。

通过将电解质变成固体，对提高电池性能具有巨大的作用。降低锂离子移动时的电阻可以使它们在更高的电压下使用，并且由于电池可以做得更薄，因此可以多层堆叠以增加容量。另一个优点是，可以改变正极和负极的材料，而不必过多担心它们与电解质的化学相容性，从而更容易从电极材料的进步中受益。

在电气和电子设备的历史上，有许多通过仅用固体材料替代使用液体、气体或真空的材料来实现性能爆炸性改进的例子。其中包括半导体、芯片电子元件和液晶面板。全固态电池堪称终极二次电池，其商业化意味着电池领域将进入创新的新时代。

已经提出了多种具有不同特性的材料用于固体电解质。材料主要分为三种类型：“硫化物材料”，对锂离子具有高传导性，适合高性能； “氧化物材料”，可通过应用不易燃且安全的多层陶瓷电容器（MLCC）技术制成多层；以及“树脂材料”，可以卷对卷生产，适合大规模生产。仅仅看看每种材料的特性就非常令人兴奋。

在汽车产业是制造业命脉的日本，新能源产业技术综合开发机构（NEDO）启动了一项100亿日元的开发项目，有23家企业参与（图7）。该公司的目标是到2022财年建立全固态电池的基础技术，到2030年左右，电池组的体积能量密度将是目前水平的三倍，达到600Wh/L，成本将是目前水平的三分之一，达到10,000日元/kWh，电动汽车的快速充电时间将是三分之一到10分钟。该开发项目不仅涉及汽车和电池制造商，还涉及材料制造商和制造设备制造商。然而，美国风险投资公司和其他公司已从世界各地的巨头公司筹集了100亿日元的资金来开发全固态电池，并正在努力实现商业化。

【图7】NEDO全固态电池开发项目路线图
我们设想了一种场景，首先我们的目标是利用现有电极来固化电解质，然后将电极材料更改为具有更高性能和可靠性的材料。图中的LIB是指锂离子二次电池。
来源：NEDO 新闻稿

在全面电动汽车时代到来之前，电机、逆变器和电池三大主要技术要素正在稳步发展。我们希望利用这些先进技术，看到具有发动机汽车无法实现的吸引力的电动汽车的出现。

作家

伊藤元明（伊藤元明）

光线有限公司代表

在富士通担任 3 年半导体开发工程师，在 Nikkei Micro Devices、Nikkei Electronics、Nikkei BP Semiconductor Research 等公司担任记者/台/主编 12 年新闻工作，在 Techno Associates（Nikkei BP 和三菱商事的合资智库）担任顾问 6 年为制造商业务提供支持，以及在日本担任广告制作人 4 年营销支持Nikkei BP 技术信息组的广告部门。

2014年，他独立成立了光线有限公司。该公司提供专门从事技术营销的支持服务，公司考虑并付诸实践如何向目标受众（主要是科技公司）准确传达技术的价值。

网址：http://wwwenlight-inccojp/