（文章來源：中國科普博覽）

近年來清潔能源汽車發(fā)展迅速，以特斯拉為首的電動汽車企業(yè)推出了多款科技感十足的電動汽車。通過不斷的技術(shù)革新，電動汽車性能得到了極大的提升，電動汽車也從概念產(chǎn)品逐漸進(jìn)入人們的生活。

電動汽車符合科技進(jìn)步和時代發(fā)展的潮流，被越來越多的人們喜愛和接受。然而目前電動汽車與燃油汽車相比，還存在著續(xù)航里程短，充電速度慢，成本高等問題。解決問題的關(guān)鍵在于電動汽車的“油箱”——動力電池，可以說動力電池決定了電動汽車的生命力和競爭力。目前，作為能源儲存體系之一的鋰離子電池主導(dǎo)了動力電池的發(fā)展，這是因?yàn)槠渚哂懈唠妷?、高能量密度、長壽命和安全性較好的優(yōu)點(diǎn)。

鋰離子電池是一種可反復(fù)充放電的二次電池。他的主要組成部分有：正極、負(fù)極、隔膜和電解液。如下圖所示，充電時鋰離子從正極脫出，經(jīng)過電解質(zhì)進(jìn)入到負(fù)極，同時釋放的電子從外部電路轉(zhuǎn)移至負(fù)極，維持電荷平衡；放電時鋰離子從負(fù)極脫出，經(jīng)過電解質(zhì)進(jìn)入正極，而電子從負(fù)極經(jīng)外部電路到達(dá)正極。在每一次充放電循環(huán)過程中，鋰離子(Li+)充當(dāng)了電能的搬運(yùn)載體，周而復(fù)始的從正極→負(fù)極→正極來回的移動，與正、負(fù)極材料發(fā)生反應(yīng)，將化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了電荷的轉(zhuǎn)移，這就是鋰離子電池的基本原理。

鋰離子電池能將電能和化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量的存儲和釋放，條件之一是正負(fù)極的材料要活潑，要容易氧化和還原，要很“容易”參與化學(xué)反應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。其二是需要存在有電位差的正負(fù)極材料來實(shí)現(xiàn)電荷移動。經(jīng)過長期的研究和探索，人們找到了幾種鋰的金屬氧化物，如鈷酸鋰、鈦酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元等材料，作為電池正極活性物質(zhì)。

負(fù)極通常選擇石墨或其他碳材料做活性物質(zhì)，也是遵循上述的原則，既要求是好的能量載體，又要相對穩(wěn)定，還要有相對豐富的儲量，便于大規(guī)模制造，碳元素就是一個相對優(yōu)化的選擇。

如上所述，鋰離子通過電解質(zhì)流動，而反應(yīng)產(chǎn)生的電子通過外部電路做功。因此，電池系統(tǒng)必須保證鋰離子和電子的流動，也就是說，它必須是一個好的離子導(dǎo)體和一個電子導(dǎo)體。許多電化學(xué)活性材料都不是良好的電子導(dǎo)體，因此需要添加一些導(dǎo)電材料，如炭黑。為了將電極材料和導(dǎo)電劑固定在一起，還需要添加一些粘合劑。在這種情況下，電化學(xué)反應(yīng)只能發(fā)生在活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和電解質(zhì)相遇的地方。

雖然鋰離子流經(jīng)電解質(zhì)，但正極和負(fù)極必須在物理上分開。為了防止短路造成能量的劇烈釋放，就需要用一種材料將正負(fù)極“隔離”開來。這要求材料具有良好的離子通過性，能給鋰離子開放通道，讓其可以自由通過，同時又是電子的絕緣體，以實(shí)現(xiàn)正負(fù)極之間的絕緣。目前的鋰離子電池使用的是聚乙烯（polyethylene，PE）、聚丙烯（polypropylene，PP）制備成的多孔隔膜。

對于手機(jī)、筆記本等電子設(shè)備來說，能量存儲是關(guān)鍵。儲存的電量越多越好，操作時間越久越好。而對于一些更大方面的應(yīng)用，如電動汽車中的電池，除了對電池的能量密度有要求之外，功率同樣重要。材料必須能夠快速提供電量以驅(qū)動汽車，并在電量耗盡時能夠進(jìn)行快速地充電。

目前電動車存在的問題是續(xù)航受限！燃油小汽車加滿一箱油的續(xù)航里程在500公里左右，電動汽車汽車的續(xù)航里程取決于它的“油箱”——電池?？吹竭@里可能就會有人問了，為什么不給汽車裝一個超大的電池呢？這種想法有沒有道理呢？答案是有一定道理，但不全對。并不是電池越大，續(xù)航里程就越高！

有了這些數(shù)據(jù)，我們還要考慮到電池裝配質(zhì)量以及整車重量，才能對電動汽車的續(xù)航里程有大致的推斷。以特斯拉Model S為例，電池組重量約為1噸，電池容量為約為100KWh，整車質(zhì)量約為2.5噸，可達(dá)到600 km的續(xù)航里程。根據(jù)最近的報道，特斯拉研制的第三代超級充電系統(tǒng)，充電速率超過1000英里/每小時（約合1609公里/小時），5分鐘內(nèi)補(bǔ)充最高75英里電量（約合120公里），充電15分鐘就可以行使近270公里。

“充電五分鐘，續(xù)航五百里”，在目前來說尚不能達(dá)到。如果這一設(shè)想實(shí)現(xiàn)，無疑將撼動燃油汽車的統(tǒng)治地位。那么，“充電五分鐘，續(xù)航五百里”真的是可望而不可即嗎？