上个月，芝加哥的严寒天气迫使电动汽车 (EV) 驾驶员在充电站排队数小时；有些人甚至发现自己被困，因为他们在排队时电池没电了。为大多数电动汽车供电的可充电锂离子电池在寒冷环境中性能不佳，因此世界各地的科学家和汽车制造商正忙于寻找解决方案。这些方案包括更精密的计算机模型，以确保最佳性能，以及更坚固耐用的电池，无论道路上是冰冻还是酷热，都能让汽车继续行驶并保障驾驶员的安全。
这些升级旨在解决电动汽车革命所面临的重大障碍。拜登政府正在努力提高电动汽车的普及率，以大力推动减少温室气体排放，总统希望到 2030 年电动汽车占美国新车销量的一半（高于 2023 年上半年汽车销量的约 8%）。但最近的事故，例如芝加哥汽车的抛锚，表明当前电动汽车技术在未来天气变得更加极端时可能会如何失败：气候变化持续推高全球平均气温，但这破坏了长期以来调节地球天气的模式——因此总体变暖可能会迎来更严重的寒潮。
国家可再生能源实验室电化学储能小组的 staff scientist 保罗·加斯珀说：“极寒天气会给电池充电带来安全风险。” 科学家普遍认为锂离子电池在相对狭窄的温度范围内使用是安全的——大约在 32 到 140 华氏度（零到 60 摄氏度）之间，但估计值有所不同。美国汽车协会 发现，当外界温度降至 20 华氏度（零下 7 摄氏度）时，电动汽车的平均续航里程比 75 华氏度（24 摄氏度）时的续航里程下降 12%。为了理解原因，我们必须深入研究为电动汽车电池供电的化学原理。
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温度检查
当电动汽车电池充电时，带电的锂离子会穿过液体电解质，从每个电池单元的一端移动到另一端（在正极阴极和负极阳极之间）。然后——当汽车在行驶过程中消耗电池的存储能量时——离子会向相反的方向穿梭返回。如果电池冷却（例如在寒潮中），阳极和阴极之间的液体高速公路会变稠，减慢离子的速度。这意味着较冷的电池充电时间可能更长，并且它们的电量消耗速度可能比在温和温度下更快。
当温度低于 32 华氏度时为汽车充电会导致锂离子堆积在阳极表面，因为颗粒移动速度不够快。这些离子团块（称为镀层）会导致电池短路，甚至引发爆炸。（不过，与汽油动力汽车相比，电动汽车起火的可能性相对较低，研究人员正在研究自熄电池的设计。）
除此之外，整个电动汽车都在加班加点地升温。其热管理系统调节电池、电机和其他组件的温度，也会消耗电量。当驾驶员打开车厢暖气时，电池必须为 HVAC 系统和其他设备（如除霜器和座椅加热器）供电。装有内燃机的汽油动力汽车在寒冷天气中也会受到影响；与 77 华氏度（25 摄氏度）时的油耗相比，在 20 华氏度时，它们的燃油经济性会下降约 15%，根据美国能源部的数据。但是，电动汽车的等效损失在 20 华氏度时可能会达到39%。
极端炎热的天气也会损害电动汽车的性能。较高的温度会加速离子的移动速度，在一定程度上，这会引发一连串意想不到的化学反应，从而在汽车的整个生命周期内降解电池组件（包括电解质）。美国汽车协会报告称，当外部温度达到 95 华氏度（35 摄氏度）且驾驶员打开空调时，续航里程可能会减少 17%。
人工智能调整
调整汽车软件可以更好地利用市场上已有的电池。特斯拉和其他配备精密车载计算机的电动汽车使用复杂的人工智能模型来确保电池安全高效地工作；这些人工智能程序分析来自温度和电压传感器的数据，以防止电池过度充电并预测汽车在剩余电量下可以行驶多远。特斯拉还具有一项名为预处理的功能，汽车可以通过该功能将电池加热或冷却到合适的充电温度。但加斯珀表示，这些模型需要进行一些改进。
他解释说，首先，可以更好地定制它们，以考虑到电池随着时间的推移而退化的健康状况。他还认为，人工智能模型可以推动汽车在更广泛的温度范围内成功运行（例如，通过分配冷却剂或控制风扇），而不会对汽车或驾驶员造成风险。加斯珀说，随着这些模型的改进，我们可以更好地信任电动汽车安全地管理电池“在其尽可能宽的工作窗口内”。
苏格兰斯特拉斯克莱德大学的电气工程师 I. Safak Bayram 副教授说，目前，人工智能模型只能为驾驶员提供电池当前电量和健康状况的近似值。他补充说，这就是为什么电动汽车驾驶员经常会遇到车辆续航里程估算突然下降的情况。今年一月在芝加哥，一位优步司机甚至被困，即使他的汽车显示电池还剩 30 英里的电量。
但加斯珀说，更智能的人工智能模型只能在一定程度上推动汽车的发展。要使电动汽车在承受极端温度方面更上一层楼，还需要电池技术本身的进步。
更好的电池
科学家们正在尝试多种策略来使电池更具耐候性。一种很有前景的方法是改进电解质。加州大学圣地亚哥分校的材料科学家兼工程师郑晨和他的同事们创建了一种新的电解质，根据研究人员 2022 年发表的一项研究，该电解质在低至 –40 华氏度（–40 摄氏度）和高达 122 华氏度（50 摄氏度）的实验室测试中表现良好。
该团队通过将锂盐与一种名为二丁醚的溶剂混合来实现这一目标，二丁醚很容易在锂离子周围通过，即使在零下和超高温下也保持液体状态。尽管该配方很有前景，但很难说它是否会在商业上可用的电池部件上大规模应用。而且这种配方可能不是唯一的解决方案：汽车制造商使用锂离子电池中的多种材料，他们不断调整这些材料以跟上技术进步并确保例如更实惠的组件或更长的续航里程。陈说，没有一种溶剂或金属盐可以与市场上所有电池材料相匹配。
虽然很难找到在各种实际条件下都能表现出色的电解质和其他材料，但加斯珀表示，人工智能可以帮助加快发现过程。研究人员已经编程了受制药行业已经使用的技术启发的机器人，用于药物发现，以测试候选物质。
一些专家认为，自加热电池可能是帮助电动汽车战胜寒冷的另一种方法。2018 年，宾夕法尼亚州立大学的科学家宣布，他们通过掺入镍箔制造出了这种电池，当电池温度低于室温时，镍箔会截获电子。捕获的电子会使镍箔升温，进而加热整个电池。科学家们说，即使在低至 –58 华氏度（–50 摄氏度）的温度下，这也可能让电池快速充电。其他方法，例如利用汽车电机发出的电流脉冲，也可以加热电池，以便在寒冷天气中更快地充电。
但电动汽车工程师面临着一个他们称之为“AND 问题”的困境：很难设计出一种在各种环境中都能高效工作并且保持价格实惠且持久耐用的电池。“我们有点想平衡成本、性能和安全性，”陈说。汽车公司可能会根据他们的优先事项以不同的方式处理这些因素。例如，有些公司更看重更高的性能而不是可负担性——并且可以采用更昂贵的电池材料。这就是为什么价格较高的电动汽车往往具有更高的续航里程。
加斯珀建议，最终，最好是根据全国乃至世界各地的特定气候定制电池设计。靠近两极地区的气候中的驾驶员将使用适合寒冷天气的电池。同时，耐热电池对于居住在赤道地区的人们来说尤为重要。在那里，热量刺激的更快化学反应会降解电池——可能会导致收入低于全球平均水平的地区长期电动汽车成本更高。“这是一个经济正义问题，”加斯珀说。该行业尚未达到这一步，但这是电动汽车专家知道他们需要解决的问题。