動力電池 誰主沉浮——漫談新能源汽車的未來

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——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、民眾意識的轉(zhuǎn)變,動力電池技術(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(shí)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(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

鋁空氣電池

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?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(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,絕對值得一個沉甸甸的諾貝爾獎。

“開掛”的鋰硫電池車

鋰硫電池工作原理示意圖

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(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(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。

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有人“開掛”做到這一點(diǎn)了。

拓荒的燃料電池車

本田Clarity燃料電池車的結(jié)構(gòu)

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(fēng)程度上一時無二。

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(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方2倍的水平。加之氫氣、液氫均不太適合長距離運(yùn)輸和儲存,所以燃料電池車?yán)碚撋喜⒉粫皲X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

固態(tài)鋰離子電池的基本結(jié)構(gòu)

將當(dāng)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(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?？梢哉f,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(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?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(luò)與定價機(jī)制、充換電協(xié)同體系等,因此并不會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”體系。當(dāng)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)?？偭枯^大、充電無序時)是必須認(rèn)真對待的。

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

21700三元鋰電池

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

寶馬i3

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(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(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。

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(yīng)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。