自從純電動(dòng)汽車成為新能源汽車市場(chǎng)焦點(diǎn)之后，其供應(yīng)鏈上游的動(dòng)力電池在研發(fā)速度上也在不斷加快。續(xù)駛能力3000公里且零排放的鋁空氣電池、一次加注只需3分鐘的氫燃料電池、創(chuàng)新電池結(jié)構(gòu)的半固態(tài)鋰電池、耐低溫降污染的晶膠電池等，都是新概念電池研發(fā)端的“新寵”。就連專注電子產(chǎn)品的蘋果公司，也試圖在純電動(dòng)汽車的電池研發(fā)方面分一杯羹……在業(yè)界看來(lái)，似乎傳統(tǒng)電池面臨“革命”的時(shí)刻，已隨時(shí)可期。
然而，前沿新技術(shù)的不斷推陳出新，距離推動(dòng)整個(gè)電池行業(yè)的革命依舊需要時(shí)間的積累。
■新概念新在何處
目前，電池續(xù)駛里程不足一直掣肘著電動(dòng)汽車的發(fā)展。各電池廠商紛紛在續(xù)駛里程、充電時(shí)間、電池成本上大做文章，希望取得巨大飛躍。
作為“反鋰電先鋒”的金屬空氣電池，以其能量密度大、續(xù)駛能力強(qiáng)，成為時(shí)下業(yè)內(nèi)討論的焦點(diǎn)之一。鋁空氣電池放電原理是電池中的金屬鋁與空氣中的氧氣和添加的水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使鋁變成氧化鋁，從而釋放出能量。
這彌補(bǔ)了傳統(tǒng)鋰電池在能量密度上的缺陷。當(dāng)前，即便是續(xù)駛能力最長(zhǎng)的特斯拉，其最高續(xù)駛里程只能達(dá)到500公里，而據(jù)了解，鋁空氣電池的理論能量密度為8100Wh/Kg，美國(guó)鋁業(yè)公司與以色列Phinergy公司于去年展示了最新的鋁空氣電池技術(shù)，電池重量約為100公斤，儲(chǔ)存了可行駛3000公里的足夠電量，是特斯拉續(xù)駛里程的6倍。
除上述在金屬材料上下工夫的電池廠商，另一方則將目光投注在燃料電池上：一次燃料加注僅3分鐘，續(xù)駛里程超過(guò)500公里，百公里加速10秒……隨著豐田Mirai氫燃料電池車在今年上海車展亮相后，氫燃料電池技術(shù)成為熱議焦點(diǎn)，甚至被認(rèn)為是汽油燃料的理想替代物。
該電池的工作原理是氫氧二氣經(jīng)過(guò)離子膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放電能。燃料電池的化學(xué)能理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)100%，實(shí)際效率約為70%，是普通內(nèi)燃機(jī)2倍多。同時(shí)，其化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物只有水沒(méi)有二氧化碳。
事實(shí)上，在日本政府頻繁的支持政策下，豐田、本田公司在氫燃料電池領(lǐng)域已研究了30多年。2014年11月18日，豐田公司把氫燃料電池汽車推向了市場(chǎng)，在業(yè)界看來(lái)，這“標(biāo)志著該電池商業(yè)化走出了第一步。”
■單一優(yōu)勢(shì)恐“獨(dú)木難支”
經(jīng)過(guò)二十幾年的發(fā)展，鋰離子電池暴露出越來(lái)越多的弊端，同樣，其他的新型電池也面臨著各自的硬傷。
盡管金屬空氣電池能量密度較高，但其釋放的功率極低。以鋅空氣電池為例，由于比功率不足，使用鋅空氣電池的汽車最高時(shí)速約為60公里，完成加速和爬坡等動(dòng)作比較吃力。為了完成電動(dòng)車正常的駕駛，電動(dòng)車還必須通過(guò)傳統(tǒng)的鋰電池加以驅(qū)動(dòng)，這決定了空氣電池只能以備用電池的身份，出現(xiàn)在電動(dòng)車上。“在單位時(shí)間內(nèi)，鋁的電子產(chǎn)生速度較慢，這是鋁空氣電池功率較低的原因。這一缺點(diǎn)是由鋁本身的特點(diǎn)決定的，很難克服。”一位業(yè)內(nèi)人士分析時(shí)說(shuō)。正因如此，空氣電池目前僅限于備用電池、軍事作戰(zhàn)、救災(zāi)等場(chǎng)合使用，范圍極為有限。
在日本大力推廣的氫燃料電池，因其易發(fā)生爆炸的特點(diǎn)，在生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存等環(huán)節(jié)存在極大安全隱患，科技部863項(xiàng)目新能源汽車專家組成員肖成偉說(shuō)：“雖然燃料電池技術(shù)已很成熟，但加氫站的建設(shè)成本極高，目前離真正的產(chǎn)業(yè)化有相當(dāng)長(zhǎng)的距離，這是造成其無(wú)法推廣的主因。”“除非能找到新的快速制氫的方法，否則現(xiàn)場(chǎng)制備氫氣的模式是完全不可行的。”一位從事新能源研究的專業(yè)人士表示，“從當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，在快速制氫上還沒(méi)有真正可以商業(yè)化方面的新進(jìn)展。”
中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員黃學(xué)杰認(rèn)為，日本政府及企業(yè)大力推廣氫燃料電池，并不意味著短時(shí)間內(nèi)氫能源動(dòng)力汽車能夠得到很大的推廣，更應(yīng)該看做是企業(yè)及政府在其技術(shù)發(fā)展水平認(rèn)知下的一種提前布局，同時(shí)也是應(yīng)對(duì)未來(lái)能源安全問(wèn)題的提前規(guī)劃。
■新概念電池難改行業(yè)格局
對(duì)于新型電池火熱的現(xiàn)狀，一位業(yè)內(nèi)人士評(píng)價(jià)道：“鋰電池在性能上的很多不足留給了人們想象空間。另一方面，由于鋰電行業(yè)的發(fā)展太慢，國(guó)內(nèi)一些企業(yè)對(duì)鋰電池信心不足，這些都是新型電池火爆的原因。”
當(dāng)下，很多新的電池技術(shù)都聲稱進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作階段，但中國(guó)北方車輛研究所動(dòng)力電池實(shí)驗(yàn)室主任王子?xùn)|認(rèn)為，電池是否實(shí)用，全面而客觀的數(shù)據(jù)指標(biāo)才是最有力的憑據(jù)，單獨(dú)幾項(xiàng)亮眼的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)無(wú)法代表產(chǎn)業(yè)化能力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一種適用電池的新材料從開(kāi)發(fā)到產(chǎn)業(yè)化，一般需18至20年的漫長(zhǎng)周期。目前除日本氫燃料電池在小規(guī)模推廣外，尚未看到太多實(shí)際性產(chǎn)品，更沒(méi)有大規(guī)模的推廣，可謂“雷聲大，雨點(diǎn)小”。
肖成偉認(rèn)為：“從科學(xué)研究的角度講，我們當(dāng)然希望從電池的能量密度、循環(huán)壽命、開(kāi)發(fā)成本各角度去破解難題。但同時(shí)也需要將一些技術(shù)進(jìn)行小規(guī)模應(yīng)用示范，以及基礎(chǔ)性、前瞻性研究，否則談何技術(shù)進(jìn)步。所以新概念層出不窮，并不意味著如今的鋰電池市場(chǎng)已‘成熟’到?jīng)]有希望了。”
各類新概念電池利弊談
■液流電池
在去年日內(nèi)瓦車展上，一款名為Quant e-Sportlimousine的概念車受到廣泛關(guān)注。該車的核心在于所謂的“液流電池”技術(shù)NanoFlowcell系統(tǒng)。
液流電池具有高效、高能量密度、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，原理是將電化學(xué)蓄電池以及燃料電池的各方面結(jié)合起來(lái)。液體電解質(zhì)存在于兩個(gè)電池倉(cāng)中并在電池中流通。系統(tǒng)中心有一層隔膜將兩個(gè)電解質(zhì)分隔，但仍能容許電荷流通，從而產(chǎn)生動(dòng)力。
據(jù)悉，概念新車的最高時(shí)速為380公里，百公里加速僅2.8秒，一次充電能跑400~600公里，已獲準(zhǔn)在歐洲上路。
■半固態(tài)鋰電池
其原理與現(xiàn)有鋰離子電池設(shè)計(jì)類似，電極單元是細(xì)小的鋰化合物粒子與液體電解液、導(dǎo)電添加劑混合形成的泥漿，電池使用帶正負(fù)電的泥漿。兩種泥漿分別通過(guò)鋁集電器和銅集電器收集電子，正負(fù)極室之間有一個(gè)能傳遞離子、防止電子傳遞的隔膜。電池的充放電原理和鋰離子電池一樣，通過(guò)鋰離子在正極室與負(fù)極室穿梭通過(guò)隔膜，電子通過(guò)外電路傳輸完成。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員李泓認(rèn)為，現(xiàn)有的鋰離子電池采用多層薄膜電極設(shè)計(jì)，而半固態(tài)鋰電池采用厚電極，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上得到了簡(jiǎn)化，減少了集流體、隔膜所占的電池總重量的比例，在采用正負(fù)極材料相同的情況下，可以提高電池的能量密度，工藝成本有望降低。但同時(shí)，由于采用厚電極，單層隔膜，無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速充放電，也意味著在動(dòng)力上沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。
在推廣上，半固態(tài)鋰離子電池的生產(chǎn)工藝與現(xiàn)有鋰離子電池的工藝不完全兼容，生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、品質(zhì)控制、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、量產(chǎn)工藝等都得從頭摸索，防止內(nèi)部短路的隔膜等關(guān)鍵材料還需突破。
■石墨烯
石墨烯是目前已知材料中最薄的一種，僅有一個(gè)碳原子厚，也是目前導(dǎo)熱效果最好的熱導(dǎo)體。
該材料的電池理論重量是傳統(tǒng)鋰離子電池的一半，厚度也會(huì)大幅縮小，而儲(chǔ)電量高出數(shù)倍，按照美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院研究人員估算，石墨烯陽(yáng)極材料比鋰離子電池中常用的石墨陽(yáng)極充放電速度要快10倍，據(jù)報(bào)道，如用于電動(dòng)汽車，8分鐘就能完成一次充電，續(xù)駛里程達(dá)1000公里。
石墨烯已被各大工業(yè)國(guó)列為重要材料進(jìn)行深度開(kāi)發(fā)，但相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)直到2010年才相對(duì)成熟，至今還處在初級(jí)應(yīng)用階段。尤其是能讓電池體積和重量大幅縮小的單層石墨烯材料，其成品率很低，生產(chǎn)成本則偏高，或許更現(xiàn)實(shí)的做法是利用石墨烯的特性提升現(xiàn)有鋰電池性能。
