動(dòng)力電池技術(shù)“閱兵” 誰才是新能源汽車的未來？

2017-11-30 14:08:43 中國(guó)能源報(bào)　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

不得不承認(rèn)，近百年來，人類充分利用了偉大自然界的慷慨饋贈(zèng)——化石能源，也正是化石能源用超凡脫俗的能量密度點(diǎn)燃了從工業(yè)文明到信息文明的燎原之火。以石油工業(yè)為依托的燃油車出色地解決了續(xù)航里程、綜

不得不承認(rèn)，近百年來，人類充分利用了偉大自然界的慷慨饋贈(zèng)——化石能源，也正是化石能源用超凡脫俗的能量密度點(diǎn)燃了從工業(yè)文明到信息文明的燎原之火。以石油工業(yè)為依托的燃油車出色地解決了續(xù)航里程、綜合性能、燃料加注、基礎(chǔ)設(shè)施等實(shí)際問題，在技術(shù)日臻成熟、成本逐步降低的同時(shí)也形成了強(qiáng)大的路徑鎖定。

　　新能源汽車若想與傳統(tǒng)燃油車分庭抗禮乃至取而代之，恐怕不能僅靠政策的出臺(tái)、民眾意識(shí)的轉(zhuǎn)變，動(dòng)力電池技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展同樣至關(guān)重要。從鋁空氣電池、鋰硫電池，到氫燃料電池、固態(tài)鋰電池，再到現(xiàn)有常規(guī)鋰電池，各類動(dòng)力電池技術(shù)路線之爭(zhēng)一直是業(yè)內(nèi)熱議的話題。

　　我們不妨既“仰望星空”又“腳踏實(shí)地”，從未來出發(fā)，把有可能獲得逐鹿中原能力的動(dòng)力電池技術(shù)依照核心原理進(jìn)行一番“閱兵”。看看到底哪種技術(shù)才是新能源汽車的未來？

　　理想的鋁空氣電池車

　　如果說有什么還原劑可以在能量密度方面和碳?xì)浠衔镦敲溃敲创蠹視?huì)不約而同地將目光投向元素周期表的特定位置——那些“小而美”的活潑金屬；如果說有什么氧化劑大量、廉價(jià)、易得，那么空氣幾乎是所有人心中的不二之選。這就是身兼二者優(yōu)點(diǎn)的金屬空氣電池，尤其是以地殼中極其豐富的鋁相關(guān)原料作為負(fù)極的鋁空氣電池，吸引一批又一批研究者全情投入的原因。

　　首先，成功的鋁空氣電池可以解決車輛續(xù)航問題。鋁負(fù)極和空氣正極的組合就是能量密度的最佳代言，“日行千里，夜走八百”理所應(yīng)當(dāng)。

　　其次，成功的鋁空氣電池可以解決車輛充能問題。采用更換負(fù)極方式的鋁空氣電池“機(jī)械充能”相比傳統(tǒng)燃油車的燃油加注毫不遜色，簡(jiǎn)直和鋼鐵俠的能量塊一樣便捷迅速。

　　再次，成功的鋁空氣電池基礎(chǔ)設(shè)施易用易建。靠近可再生能源資源中心的電解鋁設(shè)施配上發(fā)達(dá)的貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，再加上堪比便利店的“機(jī)械充能”站，結(jié)合金屬鋁常溫下的表面惰性和鋁氧化物的環(huán)境友好、易回收特性，幾乎可以構(gòu)建一個(gè)完美的能源交通網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)。

　　即便在整體能量循環(huán)效率方面不及鋰電的充電樁、換電站，鋁空氣電池車僅憑借上述三方面的優(yōu)勢(shì)就能“統(tǒng)治”能源與交通的未來。

　　然而，實(shí)現(xiàn)鋁空氣電池技術(shù)的應(yīng)用存在相當(dāng)大的技術(shù)難度，例如鋁負(fù)極的腐蝕抑制、正極吸氧催化劑的研究與設(shè)計(jì)等多重難題待解。毫不夸張地說，能跨越上述障礙、實(shí)現(xiàn)鋁空氣電池交通應(yīng)用的研究者，絕對(duì)值得一個(gè)沉甸甸的諾貝爾獎(jiǎng)。

　　“開掛”的鋰硫電池車

　　告別里程焦慮、不想換電只想充電、鋰電的終極形態(tài)、毀譽(yù)參半的研究熱點(diǎn)……以上描述都指向同一種技術(shù)，那就是鋰硫電池技術(shù)。

　　讓電池毫不遜色于油箱——成功的鋰硫電池同樣可以解決續(xù)航問題，這也是其概念在誕生之時(shí)就已具備的優(yōu)點(diǎn)。

　　首先，成功的鋰硫電池能讓車輛告別充電的煩惱。當(dāng)一輛電動(dòng)車具備700公里的續(xù)航能力時(shí)，不僅對(duì)電網(wǎng)友好，也給車主帶來更好的使用體驗(yàn)。

　　其次，成功的鋰硫電池可與常規(guī)鋰電車輛的基礎(chǔ)設(shè)施通用，且憑借其優(yōu)秀的續(xù)航里程更是淡化了對(duì)快充技術(shù)的需求。構(gòu)建科學(xué)合理的輸配電網(wǎng)絡(luò)并配合峰谷價(jià)差、市場(chǎng)化電價(jià)，即可有效協(xié)調(diào)車輛的充電行為，而依托高比例可再生能源更有助于大大提高電動(dòng)汽車的市場(chǎng)占有率。

　　不過，和鋁空氣電池一樣，鋰硫電池技術(shù)也充滿著不確定性。電極結(jié)構(gòu)的顯著變化、多硫化物的穿梭效應(yīng)、難于控制的副反應(yīng)等問題，都在阻礙著鋰硫電池技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)。

　　如果鋰硫電池技術(shù)能盡早被實(shí)際應(yīng)用證實(shí)或者證偽，無疑都是好事。如果不能，那就只能期待未來會(huì)有人“開掛”做到這一點(diǎn)了。

　　拓荒的燃料電池車

　　豐田、本田兩大日系車企，現(xiàn)代等韓系車企，迎頭趕上的歐洲車企……立足于高壓氫氣的高能量密度和短加注時(shí)間，以“電－氫－電”為能量路徑的燃料電池車在拉風(fēng)程度上一時(shí)無二。

　　豐田Mirai燃料電池車自推出以來已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)車約10萬公里安全運(yùn)行，等待它的將是20萬公里或更長(zhǎng)的續(xù)航里程挑戰(zhàn)。不過如果能為燃料電池搭配適量的鋰電，這種增程式燃料電池車或許會(huì)更靠譜。

　　在完善的設(shè)計(jì)條件下，燃料電池車的安全性其實(shí)不是問題——開放環(huán)境下氫氣迅速向上散逸。再者，哪種續(xù)航里程長(zhǎng)的車輛不是燃料包呢？

　　更值得擔(dān)心的問題應(yīng)該是燃料電池電堆的壽命、對(duì)鉑基催化劑的依賴導(dǎo)致的高成本，還有“電－氫－電”能量轉(zhuǎn)化路徑的低效。和同樣規(guī)格的鋰電車相比，燃料電池車的成本更高，一次能源消耗量基本處于對(duì)方2倍的水平。加之氫氣、液氫均不太適合長(zhǎng)距離運(yùn)輸和儲(chǔ)存，所以燃料電池車?yán)碚撋喜⒉粫?huì)像鋁空氣電池車那樣實(shí)現(xiàn)大范圍的能源交通網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)。從可再生能源基地到特高壓輸電，再到城市范圍的現(xiàn)場(chǎng)制氫或中短途運(yùn)輸氫則更為合理。此外，加氫站的建設(shè)幾乎相當(dāng)于另起爐灶，挑戰(zhàn)重重，且看現(xiàn)在全球的三百多座加氫站多久以后才能增加到一千座吧！

　　挑戰(zhàn)的固態(tài)鋰電車

　　將當(dāng)前鋰離子動(dòng)力電池中的六氟磷酸鋰基電解液替換成固態(tài)電解質(zhì)，那么對(duì)應(yīng)車輛的續(xù)航里程、安全性和環(huán)境友好程度等都可以得到進(jìn)一步的提升。可以說，固態(tài)鋰電車是使用傳統(tǒng)正極體系的鋰電車的終極形態(tài)。除高校、研究所之外，已有多家動(dòng)力電池車產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)投入巨大精力進(jìn)行有關(guān)技術(shù)研發(fā)。目前來看，固態(tài)鋰電的技術(shù)成熟度高于鋁空氣、鋰硫電池，但相比于燃料電池則尚有不及。

　　相比于現(xiàn)有鋰電車，固態(tài)鋰電車的續(xù)航里程預(yù)計(jì)將有較大幅度的進(jìn)步，雖然可能比不過傳統(tǒng)燃油車輛，但可極大緩解里程焦慮問題。因?yàn)樵诒堵市阅芊矫娲嬖诙贪澹怨虘B(tài)鋰電車的充電時(shí)間較長(zhǎng)。解決方案可能包括前述配電網(wǎng)絡(luò)與定價(jià)機(jī)制、充換電協(xié)同體系等，因此并不會(huì)帶來過多的額外基礎(chǔ)設(shè)施負(fù)擔(dān)（相比于大規(guī)模鋰電車應(yīng)用而言）。此外，將功率型常規(guī)鋰電和高能量密度固態(tài)鋰電共同使用，也可以構(gòu)建鋰電車的“插電混動(dòng)”體系。當(dāng)然，功率型鋰電的快充需求對(duì)現(xiàn)行電力系統(tǒng)的沖擊（在規(guī)模總量較大、充電無序時(shí)）是必須認(rèn)真對(duì)待的。

　　為了實(shí)現(xiàn)固態(tài)鋰電技術(shù)的推廣應(yīng)用，“電解質(zhì)－電極”固態(tài)界面的行為、非高溫環(huán)境下倍率性能的改善、不同批次電池的性能可重復(fù)性等問題都有待解決。誠(chéng)然解決方案充滿挑戰(zhàn)，但挑戰(zhàn)同樣意味著更美好的可能。

　　前瞻的進(jìn)步鋰電車

　　從未來開始，我們一點(diǎn)點(diǎn)朝現(xiàn)實(shí)返程。

　　將現(xiàn)行鋰離子電池的正負(fù)極在保證安全性的條件下向高鎳三元材料、硅碳復(fù)合材料等高比容方向調(diào)整，優(yōu)化電池規(guī)格，逐步建立電池回收利用體系，結(jié)合整車平臺(tái)以電池為基礎(chǔ)的重新設(shè)計(jì)和車身輕量化，并大力建設(shè)輸配充換電智能基礎(chǔ)設(shè)施等多重前瞻因素，我們可以看到，鋰電車已有了相當(dāng)程度的進(jìn)步。

　　也許目前的鋰電車還存在里程焦慮等諸多問題，但隨著基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，可在相當(dāng)程度上撫慰車主們焦慮的內(nèi)心；也許目前的鋰電車將在十年內(nèi)淘汰換新，但十年也被認(rèn)為是可被接受的期限；也許目前的鋰電車還在飽受資源回收和環(huán)境保護(hù)方面的爭(zhēng)議，但它至少可以做到讓多數(shù)人消費(fèi)得起，用得省心、安心。

　　綜合來看，未來十年內(nèi)，行業(yè)將面臨洗牌。洗牌過后，存活下來的鋰電企業(yè)將登上視野范圍之內(nèi)的技術(shù)高地，讓鋰電車產(chǎn)業(yè)走向成熟，并將中國(guó)乃至全球的新能源車保有量擴(kuò)大至可以預(yù)見的相當(dāng)份額。

　　現(xiàn)實(shí)的常規(guī)鋰電車

　　就在面前，就在今天。

　　缺少專屬的電動(dòng)汽車平臺(tái)、冬季尤甚的里程焦慮、仍顯不足的基礎(chǔ)設(shè)施、層出不窮的“騙補(bǔ)”事件、補(bǔ)貼退坡后的陣痛、尚待論證的梯次利用和資源回收研究……這些都是常規(guī)鋰電池車正在面臨的煩惱。

　　它可能是小康之家的第二臺(tái)車，也可能是搖號(hào)未果的無奈選擇。

　　它可能是諸多大城市減少污染的最優(yōu)選擇，也背負(fù)著“電從煤來”、“轉(zhuǎn)移污染”的罵名。

　　它真的承擔(dān)著“彎道超車”、改善環(huán)境狀況的新興產(chǎn)業(yè)期許，也有著性能短板較多、續(xù)航里程不足，尤其是回收體系尚未建立等諸多弊端。

　　它需要改進(jìn)的地方太多，但我們總應(yīng)該相信，路在腳下，腳比路長(zhǎng)。

　　結(jié)語

　　未來等待我們的，可能是夢(mèng)想中的時(shí)代——鋁空氣電池車、鋰硫電池車都能得到廣泛普及，可再生能源在交通系統(tǒng)中的應(yīng)用形成了真正的閉環(huán)，燃油車被徹底淘汰；也或許會(huì)是固態(tài)鋰電、燃料電池和混合動(dòng)力三大技術(shù)諸侯爭(zhēng)霸的時(shí)代；再或者，可能會(huì)是一個(gè)不美好的時(shí)代——鋰電池車的里程焦慮仍在，人們抱怨油價(jià)高昂、動(dòng)力電池回收成難題……

　　未來取決于我們的選擇，但不論如何，我們都不該在燃油車時(shí)代止步不前。

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