上個月，芝加哥的嚴寒天氣迫使電動汽車 (EV) 駕駛員在充電站排隊數小時；有些人甚至發現自己被困，因為他們在排隊時電池沒電了。為大多數電動汽車供電的可充電鋰離子電池在寒冷環境中效能不佳，因此世界各地的科學家和汽車製造商正忙於尋找解決方案。這些方案包括更精密的計算機模型，以確保最佳效能，以及更堅固耐用的電池，無論道路上是冰凍還是酷熱，都能讓汽車繼續行駛並保障駕駛員的安全。
這些升級旨在解決電動汽車革命所面臨的重大障礙。拜登政府正在努力提高電動汽車的普及率，以大力推動減少溫室氣體排放，總統希望到 2030 年電動汽車佔美國新車銷量的一半（高於 2023 年上半年汽車銷量的約 8%）。但最近的事故，例如芝加哥汽車的拋錨，表明當前電動汽車技術在未來天氣變得更加極端時可能會如何失敗：氣候變化持續推高全球平均氣溫，但這破壞了長期以來調節地球天氣的模式——因此總體變暖可能會迎來更嚴重的寒潮。
國家可再生能源實驗室電化學儲能小組的 staff scientist 保羅·加斯珀說：“極寒天氣會給電池充電帶來安全風險。” 科學家普遍認為鋰離子電池在相對狹窄的溫度範圍內使用是安全的——大約在 32 到 140 華氏度（零到 60 攝氏度）之間，但估計值有所不同。美國汽車協會 發現，當外界溫度降至 20 華氏度（零下 7 攝氏度）時，電動汽車的平均續航里程比 75 華氏度（24 攝氏度）時的續航里程下降 12%。為了理解原因，我們必須深入研究為電動汽車電池供電的化學原理。
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溫度檢查
當電動汽車電池充電時，帶電的鋰離子會穿過液體電解質，從每個電池單元的一端移動到另一端（在正極陰極和負極陽極之間）。然後——當汽車在行駛過程中消耗電池的儲存能量時——離子會向相反的方向穿梭返回。如果電池冷卻（例如在寒潮中），陽極和陰極之間的液體高速公路會變稠，減慢離子的速度。這意味著較冷的電池充電時間可能更長，並且它們的電量消耗速度可能比在溫和溫度下更快。
當溫度低於 32 華氏度時為汽車充電會導致鋰離子堆積在陽極表面，因為顆粒移動速度不夠快。這些離子團塊（稱為鍍層）會導致電池短路，甚至引發爆炸。（不過，與汽油動力汽車相比，電動汽車起火的可能性相對較低，研究人員正在研究自熄電池的設計。）
除此之外，整個電動汽車都在加班加點地升溫。其熱管理系統調節電池、電機和其他元件的溫度，也會消耗電量。當駕駛員開啟車廂暖氣時，電池必須為 HVAC 系統和其他裝置（如除霜器和座椅加熱器）供電。裝有內燃機的汽油動力汽車在寒冷天氣中也會受到影響；與 77 華氏度（25 攝氏度）時的油耗相比，在 20 華氏度時，它們的燃油經濟性會下降約 15%，根據美國能源部的資料。但是，電動汽車的等效損失在 20 華氏度時可能會達到39%。
極端炎熱的天氣也會損害電動汽車的效能。較高的溫度會加速離子的移動速度，在一定程度上，這會引發一連串意想不到的化學反應，從而在汽車的整個生命週期內降解電池元件（包括電解質）。美國汽車協會報告稱，當外部溫度達到 95 華氏度（35 攝氏度）且駕駛員開啟空調時，續航里程可能會減少 17%。
人工智慧調整
調整汽車軟體可以更好地利用市場上已有的電池。特斯拉和其他配備精密車載計算機的電動汽車使用複雜的人工智慧模型來確保電池安全高效地工作；這些人工智慧程式分析來自溫度和電壓感測器的資料，以防止電池過度充電並預測汽車在剩餘電量下可以行駛多遠。特斯拉還具有一項名為預處理的功能，汽車可以透過該功能將電池加熱或冷卻到合適的充電溫度。但加斯珀表示，這些模型需要進行一些改進。
他解釋說，首先，可以更好地定製它們，以考慮到電池隨著時間的推移而退化的健康狀況。他還認為，人工智慧模型可以推動汽車在更廣泛的溫度範圍內成功執行（例如，透過分配冷卻劑或控制風扇），而不會對汽車或駕駛員造成風險。加斯珀說，隨著這些模型的改進，我們可以更好地信任電動汽車安全地管理電池“在其儘可能寬的工作視窗內”。
蘇格蘭斯特拉斯克萊德大學的電氣工程師 I. Safak Bayram 副教授說，目前，人工智慧模型只能為駕駛員提供電池當前電量和健康狀況的近似值。他補充說，這就是為什麼電動汽車駕駛員經常會遇到車輛續航里程估算突然下降的情況。今年一月在芝加哥，一位優步司機甚至被困，即使他的汽車顯示電池還剩 30 英里的電量。
但加斯珀說，更智慧的人工智慧模型只能在一定程度上推動汽車的發展。要使電動汽車在承受極端溫度方面更上一層樓，還需要電池技術本身的進步。
更好的電池
科學家們正在嘗試多種策略來使電池更具耐候性。一種很有前景的方法是改進電解質。加州大學聖地亞哥分校的材料科學家兼工程師鄭晨和他的同事們建立了一種新的電解質，根據研究人員 2022 年發表的一項研究，該電解質在低至 –40 華氏度（–40 攝氏度）和高達 122 華氏度（50 攝氏度）的實驗室測試中表現良好。
該團隊透過將鋰鹽與一種名為二丁醚的溶劑混合來實現這一目標，二丁醚很容易在鋰離子周圍透過，即使在零下和超高溫下也保持液體狀態。儘管該配方很有前景，但很難說它是否會在商業上可用的電池部件上大規模應用。而且這種配方可能不是唯一的解決方案：汽車製造商使用鋰離子電池中的多種材料，他們不斷調整這些材料以跟上技術進步並確保例如更實惠的元件或更長的續航里程。陳說，沒有一種溶劑或金屬鹽可以與市場上所有電池材料相匹配。
雖然很難找到在各種實際條件下都能表現出色的電解質和其他材料，但加斯珀表示，人工智慧可以幫助加快發現過程。研究人員已經程式設計了受制藥行業已經使用的技術啟發的機器人，用於藥物發現，以測試候選物質。
一些專家認為，自加熱電池可能是幫助電動汽車戰勝寒冷的另一種方法。2018 年，賓夕法尼亞州立大學的科學家宣佈，他們透過摻入鎳箔製造出了這種電池，當電池溫度低於室溫時，鎳箔會截獲電子。捕獲的電子會使鎳箔升溫，進而加熱整個電池。科學家們說，即使在低至 –58 華氏度（–50 攝氏度）的溫度下，這也可能讓電池快速充電。其他方法，例如利用汽車電機發出的電流脈衝，也可以加熱電池，以便在寒冷天氣中更快地充電。
但電動汽車工程師面臨著一個他們稱之為“AND 問題”的困境：很難設計出一種在各種環境中都能高效工作並且保持價格實惠且持久耐用的電池。“我們有點想平衡成本、效能和安全性，”陳說。汽車公司可能會根據他們的優先事項以不同的方式處理這些因素。例如，有些公司更看重更高的效能而不是可負擔性——並且可以採用更昂貴的電池材料。這就是為什麼價格較高的電動汽車往往具有更高的續航里程。
加斯珀建議，最終，最好是根據全國乃至世界各地的特定氣候定製電池設計。靠近兩極地區的氣候中的駕駛員將使用適合寒冷天氣的電池。同時，耐熱電池對於居住在赤道地區的人們來說尤為重要。在那裡，熱量刺激的更快化學反應會降解電池——可能會導致收入低於全球平均水平的地區長期電動汽車成本更高。“這是一個經濟正義問題，”加斯珀說。該行業尚未達到這一步，但這是電動汽車專家知道他們需要解決的問題。