電動(dòng)汽車市場(chǎng)增長(zhǎng)迅猛，然而主流鋰離子動(dòng)力電池使其很難達(dá)到500公里以上的續(xù)航里程。本綜述第一次深度解析了電動(dòng)汽車市場(chǎng)的未來發(fā)展需求，并將之與新型二次電池和燃料電池的技術(shù)進(jìn)展相融合。為能量存儲(chǔ)技術(shù)在未來可移動(dòng)電子設(shè)備商業(yè)化進(jìn)程提供了發(fā)展路線圖。

【成果簡(jiǎn)介】

滑鐵盧大學(xué)陳忠偉教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合巴拉德，戴姆勒奔馳等電動(dòng)汽車領(lǐng)軍企業(yè)和美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等頂尖科研機(jī)構(gòu)，結(jié)合電池研發(fā)，市場(chǎng)推廣及產(chǎn)業(yè)化前景，對(duì)動(dòng)力電池的技術(shù)發(fā)展及商業(yè)化進(jìn)行了深度解讀，共同在《自然》子刊-Nature Energy上發(fā)表題為“Batteries and fuel cells for emerging electric vehicle markets”的綜述文章。相比傳統(tǒng)的基于電極材料設(shè)計(jì)和電池性能比較的綜述類文章，該工作深度融合了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)動(dòng)力電池的能量密度，成本，安全性以及電網(wǎng)兼容性所提出的要求及制定的標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)評(píng)估了不同種類的動(dòng)力電池的市場(chǎng)應(yīng)用前景。從戰(zhàn)略上為先進(jìn)二次電池和燃料電池技術(shù)的未來商業(yè)化指明了可能的方向。

發(fā)展新能源汽車是各國(guó)的國(guó)家戰(zhàn)略抉擇，但是在減緩氣候變暖的大格局下，電動(dòng)汽車的發(fā)展仍然不盡如人意，如圖1所示。鋰離子電池是當(dāng)前最具實(shí)用價(jià)值的電動(dòng)汽車動(dòng)力來源，然而它的低能量密度和高成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足未來的電動(dòng)車市場(chǎng)需求。例如在2016年的一項(xiàng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，美國(guó)消費(fèi)者中超過一半的人難以接受購(gòu)買續(xù)航里程280公里以下且超過普通燃油車價(jià)格5000美元的電動(dòng)汽車。令人遺憾的是，圖2表明目前市場(chǎng)上仍未出現(xiàn)完全滿足如上需求的電動(dòng)車。雖然鋰離子電池包預(yù)計(jì)2030至2040年能降至70美元/千瓦時(shí)，但即使是最具性價(jià)比的三款電動(dòng)汽車仍有三成左右的消費(fèi)者不愿意購(gòu)買。除了價(jià)格因素，鋰離子電池包的安全性和快充能力仍然需要進(jìn)一步提高以獲得市場(chǎng)更為廣泛的接納。

基于目前存在的問題，使用可替代的能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化技術(shù)顯得尤為重要。圖3展示了不同可充電電池及燃料電池的重量能量密度，體積能量密度以及能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的成本。高能量密度，具有快速填充能力的氫燃料電池系統(tǒng)在重型長(zhǎng)距離運(yùn)輸載具中具有廣泛的應(yīng)用前景，鋰硫電池、鋰空氣電池以及鋅空氣電池在長(zhǎng)里程低成本電動(dòng)汽車上的適用性更勝一籌。雖然鉛酸電池以及鎳氫電池在能量密度上沒有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是這些電池具有更高的功率和更低的制造成本，因此可以在低成本汽車中作為輔助功率型電池使用，或者基于其安全，不易燃的特點(diǎn)作為長(zhǎng)距離運(yùn)輸載具的輔助里程提升電池使用范圍。除了上述的特點(diǎn)以外，其他特點(diǎn)比如循環(huán)壽命，使用壽命，能量效率以及電網(wǎng)兼容性都決定了清潔能源技術(shù)在下一代電動(dòng)汽車中的成功應(yīng)用。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1. 國(guó)際能源署“高于2攝氏度方案”中提出的電動(dòng)汽車銷售和電動(dòng)汽車市場(chǎng)共享演進(jìn)圖

圖2. 2017年款電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程與價(jià)格補(bǔ)貼匯總

圖3.可充電電池與氫燃料重量能量密度，體積能量密度以及能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的成本

圖4. 未來市場(chǎng)的可替代電池和燃料電池潛在適合領(lǐng)域

【小結(jié)】

在本篇綜述文章中，我們針對(duì)這些替代的電池以及燃料電池做出全面的綜述，并評(píng)估了這些電池克服作為動(dòng)力能量存儲(chǔ)系統(tǒng)所存在障礙的潛力。我們發(fā)現(xiàn)雖然沒有一種電池或燃料電池系統(tǒng)可以適用于電動(dòng)汽車的所有市場(chǎng)，但這些討論的儲(chǔ)能技術(shù)可以幫助支持至少一種電動(dòng)汽車的市場(chǎng)。雖然鋰離子電池還具有很好的與電子設(shè)備配套使用的能力，但其他類型的電池以及燃料電池混合驅(qū)動(dòng)的載具會(huì)加速汽車向低碳環(huán)保運(yùn)輸模式的轉(zhuǎn)變。