動力電池誰主沉��？漫談新能源汽車的未來

時間:2017-11-29 13:22來源:中國能源報 作者:張亦弛
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　　不得不承認，近百年來，人類充分利用了偉大自然界的慷慨饋贈——化石能源，也正是化石能源用超凡脫俗的能量密度點燃了從工業(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、基礎設施等實際問題，在技術(shù)日臻成熟、成本逐步降低的同時也形成了強大的路徑鎖定。
 
　　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、民眾意識的轉(zhuǎn)變，動力電池技術(shù)的進步與發(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，各類動力電池技術(shù)路線之爭一直是業(yè)內(nèi)熱議的話題。
 
　　我們不妨既“仰望星空”又“腳踏實地”，從未來出發(fā)，把有可能獲得逐鹿中原能力的動力電池技術(shù)依照核心原理進行一番“閱兵”�？纯吹降啄姆N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氫化合物媲美，那么大家會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、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”理所應當。
 
　　其次，成功的鋁空氣電池可以解決車輛充能問題。采用更換負極方式的鋁空氣電池“機械充能”相比傳統(tǒng)燃油車的燃油加注毫不遜色，簡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設施易用易建。靠近可再生能源資源中心的電解鋁設施配上發(fā)達的貨運網(wǎng)絡，再加上堪比便利店的“機械充能”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)建一個完美的能源交通網(wǎng)絡閉環(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)勢就能“統(tǒng)治”能源與交通的未來。
 
　　然而，實現(xiàn)鋁空氣電池技術(shù)的應用存在相當大的技術(shù)難度，例如鋁負極的腐蝕抑制、正極吸氧催化劑的研究與設計等多重難題待解。毫不夸張地說，能跨越上述障礙、實現(xiàn)鋁空氣電池交通應用的研究者，絕對值得一個沉甸甸的諾貝爾獎。
 
　　“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)、毀譽參半的研究熱點……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就已具備的優(yōu)點。
 
　　首先，成功的鋰硫電池能讓車輛告別充電的煩惱。當一輛電動車具備700公里的續(xù)航能力時，不僅對電網(wǎng)友好，也給車主帶來更好的使用體驗。
 
　　其次，成功的鋰硫電池可與常規(guī)鋰電車輛的基礎設施通用，且憑借其優(yōu)秀的續(xù)航里程更是淡化了對快充技術(shù)的需求。構(gòu)建科學合理的輸配電網(wǎng)絡并配合峰谷價差、市場化電價，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汽車的市場占有率。
 
　　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、難于控制的副反應等問題，都在阻礙著鋰硫電池技術(shù)從實驗室走向市場。
 
　　如果鋰硫電池技術(shù)能盡早被實際應用證實或者證偽，無疑都是好事。如果不能，那就只能期待未來會有人“開掛”做到這一點了。
 
　　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間，以“電-氫-電”為能量路徑的燃料電池車在拉風程度上一時無二。
 
　　豐田Mirai燃料電池車自推出以來已經(jīng)實現(xiàn)了試驗車約10萬公里安全運行，等待它的將是20萬公里或更長的續(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更靠譜。
　　在完善的設計條件下，燃料電池車的安全性其實不是問題——開放環(huán)境下氫氣迅速向上散逸。再者，哪種續(xù)航里程長的車輛不是燃料包呢？
 
　　更值得擔心的問題應該是燃料電池電堆的壽命、對鉑基催化劑的依賴導致的高成本，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方2倍的水平。加之氫氣、液氫均不太適合長距離運輸和儲存，所以燃料電池車理論上并不會像鋁空氣電池車那樣實現(xiàn)大范圍的能源交通網(wǎng)絡閉環(huán)。從可再生能源基地到特高壓輸電，再到城市范圍的現(xiàn)場制氫或中短途運輸氫則更為合理。此外，加氫站的建設幾乎相當于另起爐灶，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
 
　　將當前鋰離子動力電池中的六氟磷酸鋰基電解液替換成固態(tài)電解質(zhì)，那么對應車輛的續(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，已有多家動力電池車產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)投入巨大精力進行有關(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)航里程預計將有較大幅度的進步，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。因為在倍率性能方面存在短板，所以固態(tài)鋰電車的充電時間較長。解決方案可能包括前述配電網(wǎng)絡與定價機制、充換電協(xié)同體系等，因此并不會帶來過多的額外基礎設施負擔（相比于大規(guī)模鋰電車應用而言）。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”體系。當然，功率型鋰電的快充需求對現(xiàn)行電力系統(tǒng)的沖擊（在規(guī)模總量較大、充電無序時）是必須認真對待的。
 
　　為了實現(xiàn)固態(tài)鋰電技術(shù)的推廣應用，“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性等問題都有待解決。誠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。
 
　　前瞻的進步鋰電車
 
　　從未來開始，我們一點點朝現(xiàn)實返程。
 
　　將現(xiàn)行鋰離子電池的正負極在保證安全性的條件下向高鎳三元材料、硅碳復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)合整車平臺以電池為基礎的重新設計和車身輕量化，并大力建設輸配充換電智能基礎設施等多重前瞻因素，我們可以看到，鋰電車已有了相當程度的進步。
 
　　也許目前的鋰電車還存在里程焦慮等諸多問題，但隨著基礎設施的不斷完善，可在相當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)境保護方面的爭議，但它至少可以做到讓多數(shù)人消費得起，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，并將中國乃至全球的新能源車保有量擴大至可以預見的相當份額。
 
　　現(xiàn)實的常規(guī)鋰電車
 
　　就在面前，就在今天。
 
　　缺少專屬的電動汽車平臺、冬季尤甚的里程焦慮、仍顯不足的基礎設施、層出不窮的“騙補”事件、補貼退坡后的陣痛、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車，也可能是搖號未果的無奈選擇。
 
　　它可能是諸多大城市減少污染的最優(yōu)選擇，也背負著“電從煤來”、“轉(zhuǎn)移污染”的罵名。
 
　　它真的承擔著“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。
 
　　它需要改進的地方太多，但我們總應該相信，路在腳下，腳比路長。
 
　　結(jié)語
 
　　未來等待我們的，可能是夢想中的時代——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)中的應用形成了真正的閉環(huán)，燃油車被徹底淘汰；也或許會是固態(tài)鋰電、燃料電池和混合動力三大技術(shù)諸侯爭霸的時代；再或者，可能會是一個不美好的時代——鋰電池車的里程焦慮仍在，人們抱怨油價高昂、動力電池回收成難題……
 
　　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代止步不前。
 
　　（作者供職于清華大學能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院）
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