动力电池技术谁主沉浮?浅析新能源汽车的不同路线

2017-11-30  |  By Clover  |  In 技术

不得不承认,近百年来,人类充分利用了伟大自然界的慷慨馈赠——化石能源,也正是化石能源用超凡脱俗的能量密度点燃了从工业文明到信息文明的燎原之火。

以石油工业为依托的燃油车出色地解决了续航里程、综合性能、燃料加注、基础设施等实际问题,在技术日臻成熟、成本逐步降低的同时也形成了强大的路径锁定。

新能源汽车若想与传统燃油车分庭抗礼乃至取而代之,恐怕不能仅靠政策的出台、民众意识的转变,动力电池技术的进步与发展同样至关重要。从铝空气电池、锂硫电池,到氢燃料电池、固态锂电池,再到现有常规锂电池,各类动力电池技术路线之争一直是业内热议的话题。 

我们不妨既“仰望星空”又“脚踏实地”,从未来出发,把有可能获得逐鹿中原能力的动力电池技术依照核心原理进行一番“阅兵”。看看到底哪种技术才是新能源汽车的未来? 

理想的铝空气电池车

铝空气电池 

如果说有什么还原剂可以在能量密度方面和碳氢化合物媲美,那么大家会不约而同地将目光投向元素周期表的特定位置——那些“小而美”的活泼金属;如果说有什么氧化剂大量、廉价、易得,那么空气几乎是所有人心中的不二之选。

这就是身兼二者优点的金属空气电池,尤其是以地壳中极其丰富的铝相关原料作为负极的铝空气电池,吸引一批又一批研究者全情投入的原因。

首先,成功的铝空气电池可以解决车辆续航问题。铝负极和空气正极的组合就是能量密度的最佳代言,“日行千里,夜走八百”理所应当。

其次,成功的铝空气电池可以解决车辆充能问题。采用更换负极方式的铝空气电池“机械充能”相比传统燃油车的燃油加注毫不逊色,简直和钢铁侠的能量块一样便捷迅速。 

再次,成功的铝空气电池基础设施易用易建。靠近可再生能源资源中心的电解铝设施配上发达的货运网络,再加上堪比便利店的“机械充能”站,结合金属铝常温下的表面惰性和铝氧化物的环境友好、易回收特性,几乎可以构建一个完美的能源交通网络闭环。

即便在整体能量循环效率方面不及锂电的充电桩、换电站,铝空气电池车仅凭借上述三方面的优势就能“统治”能源与交通的未来。

然而,实现铝空气电池技术的应用存在相当大的技术难度,例如铝负极的腐蚀抑制、正极吸氧催化剂的研究与设计等多重难题待解。毫不夸张地说,能跨越上述障碍、实现铝空气电池交通应用的研究者,绝对值得一个沉甸甸的诺贝尔奖。

“开挂”的锂硫电池车

锂硫电池工作原理示意图

告别里程焦虑、不想换电只想充电、锂电的终极形态、毁誉参半的研究热点……以上描述都指向同一种技术,那就是锂硫电池技术。

让电池毫不逊色于油箱——成功的锂硫电池同样可以解决续航问题,这也是其概念在诞生之时就已具备的优点。

首先,成功的锂硫电池能让车辆告别充电的烦恼。当一辆电动车具备700公里的续航能力时,不仅对电网友好,也给车主带来更好的使用体验。

其次,成功的锂硫电池可与常规锂电车辆的基础设施通用,且凭借其优秀的续航里程更是淡化了对快充技术的需求。构建科学合理的输配电网络并配合峰谷价差、市场化电价,即可有效协调车辆的充电行为,而依托高比例可再生能源更有助于大大提高电动汽车的市场占有率。

不过,和铝空气电池一样,锂硫电池技术也充满着不确定性。电极结构的显著变化、多硫化物的穿梭效应、难于控制的副反应等问题,都在阻碍着锂硫电池技术从实验室走向市场。

如果锂硫电池技术能尽早被实际应用证实或者证伪,无疑都是好事。如果不能,那就只能期待未来会有人“开挂”做到这一点了。

拓荒的燃料电池车

本田Clarity燃料电池车的结构

丰田、本田两大日系车企,现代等韩系车企,迎头赶上的欧洲车企……立足于高压氢气的高能量密度和短加注时间,以“电-氢-电”为能量路径的燃料电池车在拉风程度上一时无二。

丰田Mirai燃料电池车自推出以来已经实现了试验车约10万公里安全运行,等待它的将是20万公里或更长的续航里程挑战。不过如果能为燃料电池搭配适量的锂电,这种增程式燃料电池车或许会更靠谱。

在完善的设计条件下,燃料电池车的安全性其实不是问题——开放环境下氢气迅速向上散逸。再者,哪种续航里程长的车辆不是燃料包呢?

更值得担心的问题应该是燃料电池电堆的寿命、对铂基催化剂的依赖导致的高成本,还有“电-氢-电”能量转化路径的低效。

和同样规格的锂电车相比,燃料电池车的成本更高,一次能源消耗量基本处于对方2倍的水平。加之氢气、液氢均不太适合长距离运输和储存,所以燃料电池车理论上并不会像铝空气电池车那样实现大范围的能源交通网络闭环。

从可再生能源基地到特高压输电,再到城市范围的现场制氢或中短途运输氢则更为合理。此外,加氢站的建设几乎相当于另起炉灶,挑战重重,且看现在全球的三百多座加氢站多久以后才能增加到一千座吧! 

挑战的固态锂电车

固态锂离子电池的基本结构

将当前锂离子动力电池中的六氟磷酸锂基电解液替换成固态电解质,那么对应车辆的续航里程、安全性和环境友好程度等都可以得到进一步的提升。可以说,固态锂电车是使用传统正极体系的锂电车的终极形态。

除高校、研究所之外,已有多家动力电池车产业链上的企业投入巨大精力进行有关技术研发。目前来看,固态锂电的技术成熟度高于铝空气、锂硫电池,但相比于燃料电池则尚有不及。 

相比于现有锂电车,固态锂电车的续航里程预计将有较大幅度的进步,虽然可能比不过传统燃油车辆,但可极大缓解里程焦虑问题。因为在倍率性能方面存在短板,所以固态锂电车的充电时间较长。解决方案可能包括前述配电网络与定价机制、充换电协同体系等,因此并不会带来过多的额外基础设施负担(相比于大规模锂电车应用而言)。

此外,将功率型常规锂电和高能量密度固态锂电共同使用,也可以构建锂电车的“插电混动”体系。当然,功率型锂电的快充需求对现行电力系统的冲击(在规模总量较大、充电无序时)是必须认真对待的。

为了实现固态锂电技术的推广应用,“电解质-电极”固态界面的行为、非高温环境下倍率性能的改善、不同批次电池的性能可重复性等问题都有待解决。诚然解决方案充满挑战,但挑战同样意味着更美好的可能。

前瞻的进步锂电车

21700三元锂电池

从未来开始,我们一点点朝现实返程。

将现行锂离子电池的正负极在保证安全性的条件下向高镍三元材料、硅碳复合材料等高比容方向调整,优化电池规格,逐步建立电池回收利用体系,结合整车平台以电池为基础的重新设计和车身轻量化,并大力建设输配充换电智能基础设施等多重前瞻因素,我们可以看到,锂电车已有了相当程度的进步。

也许目前的锂电车还存在里程焦虑等诸多问题,但随着基础设施的不断完善,可在相当程度上抚慰车主们焦虑的内心;也许目前的锂电车将在十年内淘汰换新,但十年也被认为是可被接受的期限;也许目前的锂电车还在饱受资源回收和环境保护方面的争议,但它至少可以做到让多数人消费得起,用得省心、安心。

综合来看,未来十年内,行业将面临洗牌。洗牌过后,存活下来的锂电企业将登上视野范围之内的技术高地,让锂电车产业走向成熟,并将中国乃至全球的新能源车保有量扩大至可以预见的相当份额。

现实的常规锂电车

宝马i3 

就在面前,就在今天。 

缺少专属的电动汽车平台、冬季尤甚的里程焦虑、仍显不足的基础设施、层出不穷的“骗补”事件、补贴退坡后的阵痛、尚待论证的梯次利用和资源回收研究……这些都是常规锂电池车正在面临的烦恼。

它可能是小康之家的第二台车,也可能是摇号未果的无奈选择。 

它可能是诸多大城市减少污染的最优选择,也背负着“电从煤来”、“转移污染”的骂名。 

它真的承担着“弯道超车”、改善环境状况的新兴产业期许,也有着性能短板较多、续航里程不足,尤其是回收体系尚未建立等诸多弊端。  

它需要改进的地方太多,但我们总应该相信,路在脚下,脚比路长。 

结语 

未来等待我们的,可能是梦想中的时代——铝空气电池车、锂硫电池车都能得到广泛普及,可再生能源在交通系统中的应用形成了真正的闭环,燃油车被彻底淘汰;也或许会是固态锂电、燃料电池和混合动力三大技术诸侯争霸的时代;再或者,可能会是一个不美好的时代——锂电池车的里程焦虑仍在,人们抱怨油价高昂、动力电池回收成难题…… 

未来取决于我们的选择,但不论如何,我们都不该在燃油车时代止步不前。

文章来源:中国能源报

 



 

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