一切都要电动：为什么清洁的未来需要电动汽车和更多

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更新于: 2021年3月03日世界时11:59:15

电话、冰箱和电视机都有什么共同点呢？它们都使用电能形式的能源。

我们为什么要使（几乎）所有东西都变成电动的呢？因为清洁的核反应堆、太阳能电池板和风力涡轮机都是发电的。要使用这种清洁的电力，我们需要能够用电力来运输和供暖，而不是用石油或天然气。

将电转换为热能的效率几乎达到100％。 唯一阻止我们向前的是价格不可思议低廉的天然气。因此，我们需要使清洁电力更便宜。请记住，如果电力来自化石燃料，那么用电力代替天然气是没有意义的。

电池可以取代71%的运输燃料！

Image of 电池与喷气燃料 — 电池与喷气燃料

但是汽车，卡车，公共汽车等呢？电动汽车已经存在，并且随着电池性能和使用寿命的改善，电动卡车也将触手可及。幸运的是，这种陆地运输占据了大部分的运输排放量。

Image of 运输排放份额 — 运输排放份额

改善电池性能、寿命和成本是向电动运输过渡的核心。如果你觉得这很有趣，请继续阅读！我们将详细讨论当今电池的工作原理，然后探讨如何改进它们。

电池是什么？

电池有很多种。今天最常见的是所谓的锂离子 (Li-Ion) 电池。它可用于任何地方，从手机到电动汽车。它们可以快速充电和放电数千次。

Image of 锂离子电池 — 锂离子电池

锂离子电池的最基本部分是：

锂原子，每个原子都会失去一个电子而变成正锂离子（这就是“锂离子电池”这个词的来源！）。
{阴极 - 一种吸引锂的材料（这是电池的正极）。
阳极 - 一种可以存储锂离子和电子的材料，通常称为石墨（这是电池的负极）。
隔板 - 阴极和阳极之间的墙壁。锂离子可以通过，但电子会被阻止。
电解质 - 放置阴极和阳极的材料。它不带电荷，因此不会与电池的其余部分发生相互作用，它可以是液体或者固体。

让我们更详细地看一下。

充电是如何运作的？

总而言之，充电涉及使用能量来强制将锂从正阴极移去负阳极。

Image of 给一块锂离子电池充电 — 给一块锂离子电池充电

当空电池被连接到另一个电源时，电子将从每个锂原子上剥离下来，并开始通过电源从阴极流向阳极。

当电子从锂上剥落时，它将留下带正电的锂离子。这些带正电的离子被吸引到现在含有电子的带负电的阳极上。 {因此，离子流过隔板进入阳极。

然后，阳极中的石墨就像三明治中的面包一样，将锂离子和电子保持在其各层之间，直到电池放电为止。 {这是一种不稳定状态 - 锂离子非常希望能与电子结合。

Image of 阳极 — 阳极

放电是如何运作的？

Image of 给锂离子电池放电 — 给锂离子电池放电

当阳极和阴极通过电缆连接时，锂离子会通过隔板流回，而电子则通过外部电路流回去。在阴极，它们重新结合并返回到稳定状态。

当电子流回电缆时，它们会产生电流。该电流可为灯泡，手机或其他设备供电！

为什么是锂？

在我们所知道的所有元素中，锂是最愿意释放电子的一种。其他材料则相对更愿意获得电子。这主要是由于它们的电子构型。

为什么？原子由核心（称为核）和电子组成。在电子壳 中，电子围绕核。原子希望它们的壳被“充满”。他们甚至准备与其他原子共享电子来实现这个目标。此规则是电池的核心。

Image of 锂和氟的电子外壳 — 锂和氟的电子外壳

对于氟来说，添加一个电子比释放七个电子要容易得多。而对于锂来说，它更容易给出一个电子。

我们能改进电池吗？

就像我们已经说过的那样，电动汽车已经可以在市面上购买并很有用处。但是，它们仍然相对昂贵，并且性能改善总是好事。而且，现在还没有电动飞机，卡车和轮船。我们可以使这些成为可能吗？

我们非常想要改善电池的一些关键方面是：

Image of 改善电池 — 改善电池

大多数技术都有物理限制。例如，今天的商业太阳能电池板能吸收20％的撞击到它们的阳光。从理论上讲，我们应该可以够制造出能收获100％的撞击上来的阳光的太阳能电池板，但显然永远不能超过100％。这是一个理论限制。

Image of 理论限制 — 理论限制

延长电池可以维持的充电循环次数没有明显的理论限制。而实际上呢？今天的电池可以存活数千个循环，但是最近的研究可以将其增加2到3倍。将会是激动人心的时刻！

但是它们的重量和大小呢？

更轻和更小的电池？

现代电池可以将大约250瓦时的能量装入1千克的电池中。相比之下，柴油或煤油等燃料可容纳13,000瓦时/千克！

Image of 电池与液体燃料 — 电池与液体燃料

我们该怎样改进呢？让我们从理论限制开始，看看是否值得付出任何现实的努力。我们的目标不能超过绝对的最佳结果，因此这始终是一个很好的第一步！

首先要看的是电池每个组件的重量：

Image of 电池各组件的重量 — 电池各组件的重量

第1步：让我们抛弃所有“不必要的”东西。 除了阳极和阴极之外，其他所有东西都只是在提供帮助 - 在现实世界中，我们需要它，但从理论上讲，我们并不需要。注意，锂的重量包括在阳极和阴极的重量中。

我们需要在某个地方收集锂，但这就是所有阳极的用途。

如果我们可以制造一个没有支撑部件和无阳极重量的电池，我们可以将重量降低到如今电池重量的41％，从而使我们的比能为250/0.41 = 609瓦时/千克。

最好的阴极可能是什么？

我们要选择重量最轻且对锂有强烈吸引力的材料。

这里是一些被探索的较轻的阴极材料选择，与它们的理论最大比能

Image of 电池类型和汽油的比能 — 电池类型和汽油的比能

看起来锂空气可以制造像汽油一样轻的电池！

锂硫和锂空气真的可能吗？

今天最常见的阴极使用类型是钴酸锂（LiCoO 2）。它很重，但是可以运转。相比之下，我们在这里谈论的“更好”的替代方案仍在开发中。

锂硫电池也已经存在，但尚未大规模使用。

锂空气电池比锂硫电池要复杂得多，但是可能的。我们只是不知道能否使它们运转足够好而实用。

但是，真正的破坏者是我们一直在谈论的理论数字。你还记得，我们放弃了除阴极以外的所有组件。阴极仅占总质量的41％，因此，即使达到理论上阴极质量的最小值，今天电池重量的其余59％仍将存在。这意味着即使阴极没重量，我们的改进还不到2倍！

哎哟! 研究工作很艰辛，但是凭借大量的脑力（和投资），这些技术正在逐步完善！阳极和将电池固定在一起的材料也越来越轻，研究人员一直在取得进步。

由此得出的主要结论是：我们可能永远不会拥有与汽油具有相同比能的电池，但是我们可以得到比当今电池每千克容纳的能量两倍以上，甚至是三到五倍的电池。

如何使电动汽车和卡车更便宜

近年来，锂离子电池的价格已经急剧下降，并且预计还会进一步下降。

Image of 电池组价格 — 电池组价格

这部分归因于创新，也归因于规模。今天，我们正在建造比几年前更多的电池，这使该行业能够使用批量生产方法，从而使整个过程变得更便宜。特斯拉是世界上最大的电池生产商之一，该公司正在建造大型工厂，以提高自动化程度和产量，并降低成本。

我们可以使用电池来解决太阳能和风能的储能问题吗？

对于电力运输来说，能量密度和比能非常重要。但是，对于网格规模的存储，可扩展性和成本更为重要。为什么呢？因为我们需要存储大量的能量。让我们看一下数字。

我们希望在这里看到更低的数字，但是很遗憾，这就是我们现在能做到的。 70兆美元占2018年全球GDP的80％以上。这意味着制造足以提供全球一天使用电量的电池，将花费2018年生产的所有商品的80％的成本！

Image of 今天的电池很昂贵 — 今天的电池很昂贵

电池对于运输电动化极为重要，因此你在这里学到的知识仍然非常有用。

但是我们还没有放弃大规模的存储！我们将在两章时间里介绍一些储能的替代方法。但首先，让我们看一下氢燃料和它们如何能给飞机和轮船通电，并可能替代汽车中的电池吧。