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新能源汽車,到底什麼電池靠譜?

新能源汽車,到底什麼電池靠譜?

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  文/maomaobear

  自從特斯拉被熱炒之後,幾乎每隔一段時間就會冒出幾篇高科技電池電動車的新聞。什麼豐田的氫燃料電動車,能跑1600公里的鋁電池電動車,一次充電跑600公里的液流電池車,石墨烯電池,鋁離子電池……

  似乎,我們現在用鋰電池簡直是太蠢了,新的能源革命早就應該到來了,但事實真的像新聞描述的那麼美好嗎?我們來看看真相。

  一、電動車電池的真相

  電動車的核心技術是電池、電機、電控,然後就是傳統汽車上的底盤技術之類的東西。其中電機技術現在已經比較成熟,電控隨着摩爾定律也在不斷進步,汽車底盤技術發展了這麼多年,更不是瓶頸。

  電動車的核心問題就在電池上面。對於電動車來說,理想的電池應該有以下幾個特性

  一、有足夠能能量密度,單位體積單位重量要有足夠的容量,這樣才能跑更遠的路程。

  二、有足夠的功率密度,單位體積單位重量能產生足夠大功率,這樣車才能加速快,才能爬坡。

  三、能量補充速度要快,充電或者換電都要快,要不然就只能限定在城市通勤,白天跑路晚上充電的模式。

  四、平均使用成本要便宜,壽命和價格綜合起來要有競爭力。

  現在已經上市的電動車,主要有兩種電池,一種高速電動車的鋰離子電池,包括磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元鋰電池等等。還有一種是低速電動車的鉛酸電池。

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  就電動車的要求要看,鋰電池功率密度和能量密度都不錯,但是充電沒法快,價格也高昂。沒有補貼支持的話,只能用於特斯拉這種高定位的車型。

  鉛酸電池功率密度和能量密度都低,充電也慢,但是價格相對便宜,用在短途低速電動車上比較適宜。但是有污染問題,現在中國不鼓勵發展。

  其他流言中很牛的這個電池,那個電池,很遺憾,還沒有能夠量產上路,有幾種有實驗性的公交線路在用。真正通過了實踐檢驗,現實中可以大規模使用的就這兩種。流言中高級電池或者根本就不靠譜,或者還在實驗室階段。

  二、傳說中的高級電池

  (一)氫燃料電池

  我們先來日本搞得氫燃料電池,燃料電池我們可以理解成一種加燃料產生電能,一般不充電的電池。也就是說,氫燃料電池的充電方式其實就是加註氫,和我們傳統汽車加油是一樣的。

  氫燃料電池電動車的優勢是沒有污染物排放,氫發電,電機驅動車輛,我們只要把加油站換成加氫站就可以了。

  這個過程看上去很簡單,但是問題出在氫的製造、運輸、儲存上。氣態氫氣需要高壓氣罐儲存,液態氫氣需要大量電能維持在很低的溫度。使用遠比燃油麻煩。

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  雖然氫氣製造並不是很困難,但是把製造好的氫氣運輸到加氫站,就需要鋪設專門的管道。而加氫站給氫燃料電池電動車加氫,也需要專門的設備。(氫有氫脆,對傳輸、儲存的材料要求很高,氫氣很容易泄露爆炸燃燒,對設備的安全性要求也很高)

  燃油,天然氣都有現成的基礎設施可以利用,鋰電池有現成的電網可以利用。而氫燃料電池電動車需要從頭建立一整套製造、運輸、儲存的系統,全套的基礎設施。這個難度太大。

  所以,除非有政府不計成本的補貼建設全套基礎設施,否則氫燃料電池電動車就是個花瓶。日本搞這個因為日本在整個氫燃料產業鏈上全部佔有制高點,其他國家不會那麼傻,自己投入巨資重建一套系統,還讓日本人掌控命脈,所以氫燃料電池難以推廣。

  (二)鋁空氣電池

  鋁空氣電池雖然是金屬電池,其實也應該算作燃料電池。通常鋁空氣電池也是不充電的,只需要更換鋁材料即可。

  其實鋁空氣電池的原理類似的助聽器裡面常見的鋅空氣電池。

  這種金屬燃料電池的優點是能量密度比大,缺點是功率密度比低。用在低功率的助聽器上沒有問題,用在汽車上功率會不太夠,往往要配合功率高的鋰電池使用。

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  鋅空氣電池相比來說比較成熟,已經有量產產品,在汽車上也有試用。

  鋁空氣電池比鋅空氣電池能量密度更高,有更好的前途,但是因為鋁的化學性質問題,難以保證安全穩定,目前連可以量產的成品都沒有,實用化為時尚早。

  而且,金屬燃料電池因為不充電,同樣面臨著產業鏈的問題。無論是鋅空氣電池還是鋁空氣電池,都是下面這種循環。

  1、金屬製造廠電解金屬氧化物製造金屬;

  2、金屬運輸到換電站

  3、換電站用金屬更換掉用戶電動車內的金屬氧化物(金屬電池放電完畢生成氧化物)

  4、廠方回收氧化物重新電解成金屬。

  在這個流程中,需要建立一條從製造到運輸,到更換,到回收的產業鏈。同樣涉及到基礎設施建設。建立遍布全國的換電站幾乎是不可能完成的任務。

  所以,即使鋁空氣電池成功,也只能用於城市公交、出租一類可以固定位置換電(出租車在出租公司,公交車在公交公司)的場所。全面普及和氫燃料電池同樣困難。

  (三)液流電池

  液流電池是普通的化學電池,它的特點是把正極和負極電解液單獨存放,解決了普通化學電池活性物質利用率的問題。理論上可以有更高的能量密度,而且充放電次數也更多,有非常理想的性能。

  但是液流電池受制於材料和電解液的濃度,發展了多年能量密度依然很低,儲能電站可以使用,不能用到汽車。

  最近,麻省理工的科學家蔣業明博士發明了半固態鋰液流電池,在材料上做了革新,讓電解液濃度大幅度提升,這就讓能量密度和功率密度達到了實用化的水平。

  不過,蔣博士的這個電池還在實驗室階段,到成熟的成品尚有時日,更不用說量產了。

  NanoFlowcell AG公司推出液流電池汽車,從其給出的技術指標看,似乎是做到了很高的能量密度,可以實用化,目前車輛已經開始測試。但真假還有待驗證。

  但是,液流電池是最近我們看到種種高級電池中比較靠譜的一個,只要把實驗室技術轉化成量產產品,就可以真正改變電動車行業。讓電動車跑的更遠,價格更便宜(液流電池的原理決定它所使用的昂貴材料更少),充電更快(液流電池可以通過電網充電,也可以直接更換電解液完成快速充電,不過更換電解液同樣需要產業鏈配套)

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  (四)看上去很美石墨烯電池

  石墨烯有很大的比表面積,可以攜帶更多的鋰離子,得到和失去鋰離子的速度都很快,這種特性給鋰電池增加容量,加快充放電速度提供了物理基礎。

  但是在試驗中,石墨烯做負極的鋰電池循環壽命很差,充放電快,但是兩次就失效了,顯然是不能用的。

  於是,人們就開始研發各種各樣的複合材料來做負極,試圖找到一種材料,能把充放電速度快、長循環壽命、高能量密度,低成本結合起來。

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  各個實驗室搞得論文很多,但是能實用化的東西還沒有,近期,西班牙世界報發新聞說西班牙一個大學搞出來一種石墨烯電池,在高充放電速度的同時,還有更長的循環壽命、更高的能量密度和比目前鋰電池稍低的成本。德國汽車企業將開始試驗。

  如果報道屬實的話,那麼這種電池很有前途,也許將改變電動車的命運,如果加油時間和充電時間一樣,那麼充電站就可以替代加油站,電動車也就能真的替代燃油車。

  三、存在即合理

  我們目前上市的電動車使用鉛酸電池,鋰電池,不是電動車企業蠢,不知道採用新技術,而是在目前能量產能供貨的電池中,只有這兩種是可用靠譜的,其他或者是技術不成熟,或者是產業鏈無法配套的、或者是成本太高無法商用。

  除了我們前面說的幾種電池,還有飛輪電池、核電池、超級電容……往往都是實驗室看起來很美,但是遲遲沒有實用化的消息,所以以後看到這類意淫,你可以一笑了之,不必認真。

  存在即合理,一種電池真能做到實用,三五年就會被廣泛使用了,而目前還不用,一定是有問題。電池的突破將改變未來,但是我們得有耐心。

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