懸掛行進(jìn)， 鋰電池包代替高壓電 新能源空鐵前景看好
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-18 11:46
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日前，在四川省成都市雙流西南航空港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，一列懸掛在空中的列車吸引了人們的注意——這是世界首條新能源空鐵試驗線。因為列車外觀設(shè)計采用黑白相間的熊貓圖案，而被人形象地稱為“熊貓?zhí)?rdquo;空鐵。
“新能源空鐵是一種新型城市軌道交通形式，屬于輕型、中速、中等運量公共交通工具，不受地面交通狀況影響，具有安全、綠色、環(huán)保、全程自動化、全天候運營、造價較低、性價比高等特點。”新能源空鐵項目總設(shè)計師、西南交通大學(xué)首席教授翟婉明接受記者采訪時表示。
具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)
膨脹的汽車保有量，有限的城市道路資源，讓城市交通日益不堪重負(fù)。如何發(fā)揮我國軌道交通設(shè)計、研發(fā)和建造方面的優(yōu)勢，提升城市綜合交通運行效率？
建立更加高效的立體化交通體系是可行辦法。專家表示，我國現(xiàn)存地鐵、輕軌、汽車等地下、地面的交通方式，如果用支柱將軌道支撐在空中，讓列車以懸掛的方式運行，就能開辟一條空中列車通道。
為推動空鐵項目的研發(fā)，四川中唐空鐵集團(tuán)發(fā)起并投資，西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室牽頭，聯(lián)合中國中車、中國中鐵、攀枝花鋼鐵公司等7家企業(yè)，組建成新能源空鐵產(chǎn)、學(xué)、研一體化協(xié)同項目平臺?，F(xiàn)在，世界首條新能源空鐵試驗線已在成都投入運行。
據(jù)悉，這條空鐵試驗線設(shè)計時速為60公里，單節(jié)車廂長18米，寬2.3米，定員120人。“試驗線總長1461米，整個系統(tǒng)由乘客車站、正線軌道箱梁（含橋墩）、右線軌道箱梁（含橋墩）、彎道段（最小轉(zhuǎn)彎半徑30米）、上下坡段（最大坡度60‰）、客車車廂、靜調(diào)庫（充電裝置）、大功率鋰電池動力包等單元組成。”參與軌道建設(shè)的中鐵寶橋集團(tuán)有限公司總工程師吉敏廷介紹到。
“這標(biāo)志著我國成為繼德國、日本之后第三個掌握懸掛式單軌交通技術(shù)的國家。”翟婉明表示。同時，由于這條試驗線是世界上首次采用鋰電池包代替高壓電用于懸掛式列車牽引，我國對相關(guān)技術(shù)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，這是我國軌道交通領(lǐng)域的重大創(chuàng)新。
運營安全得到充分保障
遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去，新能源空鐵列車就像在行人頭頂上運行，這種新技術(shù)安全性和穩(wěn)定性可靠嗎？
對此，翟婉明介紹到，車輛行駛時始終封閉于箱形軌道梁內(nèi)部，不會發(fā)生脫軌事故，列車在空中專線上運行也不會與其他物體碰撞，運營安全得到充分保障?？砧F列車自今年9月底掛線后，經(jīng)過近2個月的調(diào)試運行，各項技術(shù)指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計要求。
“站在車廂內(nèi)，視野極為開闊，但車廂內(nèi)的顛簸感覺還是比較明顯。”一名體驗過新能源空鐵的乘客表示。
據(jù)了解，專家團(tuán)隊將繼續(xù)在這條試驗線上，對包括軌道系統(tǒng)、車身系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、信號系統(tǒng)等在內(nèi)的整個空鐵運行系統(tǒng)進(jìn)行全方位測試，嚴(yán)格檢驗其技術(shù)可靠性。據(jù)專家介紹，目前來看最大的風(fēng)險是空鐵在運行中電能耗盡，為幫助乘客逃生疏散，車廂在緊急情況下可前后開窗，乘客可通過滑梯或簡易梯疏散，也可由另外一輛空鐵過來接走被困乘客，確保乘客安全疏散。
新能源空鐵有哪些優(yōu)勢
目前，新能源空鐵仍處在試驗線上的技術(shù)檢驗與優(yōu)化階段，未來如果大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，新能源空鐵有哪些優(yōu)勢？
對此，專家分析，相比地鐵、城市輕軌和磁懸浮列車，新能源空鐵的最大優(yōu)勢是適應(yīng)性廣泛，它最小轉(zhuǎn)彎半徑僅30米，這在城市軌道交通選線方面具有更大的靈活性，可以最大限度減少拆遷量。
在成本和效率方面，與修建地鐵動輒大投入相比，新能源空鐵的軌道與梁柱采用工廠預(yù)制，現(xiàn)場組裝，施工簡便，對周圍影響小，建設(shè)周期更短。而且，由于列車采用電池牽引，可以在晚間用電低谷時存蓄電能，綠色環(huán)保。
不過，相對于地鐵來說，新能源空鐵在運量等方面還有差距。“空鐵是眾多交通方式中的一種，是城市軌道交通的重要補(bǔ)充。”翟婉明表示，新能源空鐵作為現(xiàn)代新型交通工具，未來將在城鄉(xiāng)與城際之間的立體交通對接、中心城市交通樞紐一體化銜接、熱點旅游景區(qū)交通等領(lǐng)域具有廣闊市場。
電池通過分解化學(xué)物質(zhì)來發(fā)電。自從1799年意大利物理學(xué)家亞歷山德羅·沃爾塔(Alessandro Volta)發(fā)明了電池，用來解決關(guān)于青蛙的爭論以來，每塊電池都有相同的關(guān)鍵部件：兩個金屬電極——帶負(fù)電的陽極和帶正電的陰極，由被稱為電解質(zhì)的物質(zhì)隔開。當(dāng)電池連接到電路時，陽極中的金屬原子會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。它們失去一個電子，變成帶正電荷的離子，并通過電解質(zhì)被吸引到正極。與此同時，電子（也帶負(fù)電荷）則會流向陰極。但是它并沒有通過電解質(zhì)，而是通過電路在電池的外部傳播，為它連接的設(shè)備供電。
陽極上的金屬原子最終會耗盡，此時意味著電池耗盡電量。但在可充電電池中，可以通過充電來逆轉(zhuǎn)這一過程，從而迫使離子和電子回到原位，準(zhǔn)備再次啟動循環(huán)之旅。純金屬制成的電極無法承受原子不斷進(jìn)出的壓力而不發(fā)生坍縮，因此可充電電池必須使用組合材料，使陽極和陰極通過重復(fù)的充電循環(huán)保持形狀。這種結(jié)構(gòu)可被比作公寓建筑，其中有用于反應(yīng)性元素的“房間”?？沙潆婋姵氐男阅茉诤艽蟪潭壬先Q于你能以多快的速度在這些房間里進(jìn)出，而不會導(dǎo)致建筑物倒塌。
1977年，年輕的英國科學(xué)家斯坦·惠廷漢姆(Stan Whittingham)在新澤西州林登(Linden)的?？松?Exxon)工廠工作，他建造了一個陽極，用鋁來形成“公寓街區(qū)的墻壁和地板”，用鋰作為活性材料。當(dāng)他給電池充電時，鋰離子從陰極移動到陽極，在鋁原子之間的空隙中沉淀。當(dāng)放電時，他們向另一個方向移動，通過電解質(zhì)回到陰極一側(cè)的空間。
惠廷漢姆發(fā)明了世界上第一個可充電的鋰電池，這種硬幣大小的電池足以為太陽能手表提供動力。但當(dāng)他試圖增加電壓（使更多離子進(jìn)出）或試圖制造更大的電池時，它們就會繼續(xù)燃燒。1980年，在牛津大學(xué)工作的美國物理學(xué)家約翰·古德諾夫(John Goodenough)取得了突破。古德諾夫是一名基督徒，曾在第二次世界大戰(zhàn)中擔(dān)任美國陸軍氣象學(xué)家，他也是金屬氧化物方面的專家。他懷疑，與惠廷漢姆使用的鋁化合物相比，肯定有某種物質(zhì)能為鋰提供更堅固的牢籠。
古德諾夫指導(dǎo)兩名博士后研究人員系統(tǒng)性地在周期表中摸索，用不同的金屬氧化物對鋰進(jìn)行比對，看看在它們崩潰前能從其中抽出多少鋰。最終，他們確定了鋰和鈷的混合物，后者是遍布非洲中部的藍(lán)灰色金屬。鋰鈷氧化物可以承受半數(shù)鋰被拉出的極限。當(dāng)它被用作陰極時，這代表了電池技術(shù)向前邁出了一大步。鈷是一種更輕便、廉價的材料，既適用于小型設(shè)備也適用于大型設(shè)備，而且大大優(yōu)于市場上的其他材料。
如今，古德諾夫的陰極幾乎出現(xiàn)在地球上的所有掌上設(shè)備中，但他并沒有從中賺到一分錢。牛津大學(xué)拒絕申請專利，他本人也放棄了這項權(quán)利。但它改變了可能發(fā)生的事情。1991年，經(jīng)過10年的修修補(bǔ)補(bǔ)，索尼將古德諾夫的鋰鈷氧化物陰極與碳陽極結(jié)合在一起，試圖改善其新型CCD-TR1攝像機(jī)的電池續(xù)航時間。這是第一款用于消費產(chǎn)品的可充電鋰離子電池，它改變了整個世界。
吉恩·伯迪切夫斯基(Gene Berdichevsky)曾是特斯拉的第七名員工。當(dāng)這家電動汽車公司于2003年成立時，電池能量密度穩(wěn)步提高已經(jīng)持續(xù)了十年，每年的提高幅度約為7%。但到了2005年前后，伯迪切夫斯基發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的性能開始趨于平穩(wěn)。在過去的七八年里，科學(xué)家們不得不竭盡全力去爭取哪怕是0.5%的電池性能提高。
當(dāng)時的進(jìn)步主要來自工程和制造業(yè)的改進(jìn)。伯迪切夫斯基說:“在現(xiàn)代化學(xué)反應(yīng)被使用27年后，它們不斷接受提煉。”材料更加純凈，電池制造商已經(jīng)能夠通過使每層都變得更薄的方式將更活躍的材料裝入相同的空間中。伯迪切夫斯基稱之為“從罐子里吸出空氣”。但這也有其自身風(fēng)險?，F(xiàn)代電池由極薄的陰極、電解質(zhì)和陽極材料的交替層組成，與銅和鋁電荷收集器緊密地結(jié)合起來，將電子帶出電池，送到需要的地方。
在許多高端電池中，塑料隔膜位于陰極和陽極之間，用來防止它們接觸和短路，其厚度僅為6微米（約為人類頭發(fā)厚度的1/10），這使它們很容易受到擠壓損傷。這就是航空公司的安全視頻現(xiàn)在為何警告稱，如果你的手機(jī)掉進(jìn)了機(jī)械裝置里，不要試圖調(diào)整座位。
對鋰離子電池的每一次改進(jìn)，都需要權(quán)衡取舍。提高能量密度會降低安全性，引入快速充電可能降低電池的循環(huán)壽命，這意味著電池的性能下降得更快。鋰離子的潛力正在接近其理論極限。自從古德諾夫的突破以來，研究人員一直在試圖尋找下一個飛躍，包括通過系統(tǒng)性地審視電池的四個主要組成部分——陰極、陽極、電解質(zhì)和分離器，并使用越來越復(fù)雜的工具。
克萊爾·格雷(Clare Grey)是古德諾夫在牛津大學(xué)的學(xué)生，他始終在研究鋰-空氣電池，即用空氣中的氧氣充當(dāng)另一個電極。從理論上講，這些電池提供了巨大的能量密度，但要讓它們可靠地充電，并且持續(xù)時間超過幾十個周期，在實驗室里已經(jīng)夠困難的了，更不用說在現(xiàn)實世界骯臟而不可預(yù)知的空氣中了。
盡管格雷聲稱最近取得了突破，但由于上述問題，研究團(tuán)體的注意力主要轉(zhuǎn)向了鋰-硫電池。它為鋰離子提供了更便宜、更強(qiáng)大的替代品，但科學(xué)家們始終在努力阻止其在陰極上形成的樹突（cathode），以及在陽極上的硫磺因重復(fù)充電而溶解。索尼聲稱已經(jīng)解決了這一問題，并希望到2020年將含有鋰-硫電池的消費類電子產(chǎn)品推向市場。
在曼徹斯特大學(xué)，材料學(xué)家劉旭清(Xuqing Liu)是那些試圖從碳陽極中擠出更多能量的人之一，他將類似于石墨烯的二維材料結(jié)合起來，以便擴(kuò)大表面積，從而增加鋰原子的數(shù)量。劉旭清把它比作增加一本書的頁數(shù)。這所大學(xué)還投資建造干燥的實驗室，這將使其研究人員能夠安全、輕松地交換不同的元件，以測試不同的電極和電解質(zhì)的組合。
令人難以置信的是，即使古德諾夫本人也在研究這個問題。去年，94歲的他發(fā)表了一篇論文，描述了一種容量是現(xiàn)有鋰離子電池三倍的電池。這受到廣泛質(zhì)疑。一位研究人員說:“如果是古德諾夫之外的其他人發(fā)表了這篇文章，我可能就要罵娘。”
但是，盡管有成千上萬的論文發(fā)表，數(shù)十億美元的資金投入，數(shù)十家創(chuàng)業(yè)公司成立并提供資金支持，自1991年以來，我們大部分消費電子產(chǎn)品的基本化學(xué)功能幾乎沒有改變。在成本、性能和消費性電子產(chǎn)品的便攜性方面，還沒有什么能夠取代鋰鈷氧化物和碳的組合。iPhoneX的電池的原理幾乎和索尼的第一臺便攜式攝像機(jī)一樣。
因此，2008年，伯迪切夫斯基從特斯拉離開，開始專注于研究新的電池化學(xué)反應(yīng)。他對尋找石墨陽極的替代品尤其感興趣，他認(rèn)為這是制造更好電池的最大障礙。伯迪切夫斯基說:“石墨的使用已經(jīng)有六七年了，它現(xiàn)在基本上是用在電池的熱力學(xué)容量上。”2011年，他與特斯拉的前同事亞歷克斯·雅各布斯(Alex Jacobs)、佐治亞理工學(xué)院材料學(xué)教授格萊布·尤辛（Gleb Yushin）共同創(chuàng)立了Sila Nanotechnologies。他們在阿拉米達(dá)的灣區(qū)辦公室有開放式布局，以雅達(dá)利游戲命名的會議室，還有充滿熔爐和燃?xì)夤艿赖墓I(yè)實驗室。
在調(diào)查了所有可能的解決方案之后，三人從理論上確定硅是最有前途的材料。他們只需要讓技術(shù)發(fā)揮作用。許多人在他們之前嘗試過，但都以失敗告終。不過，伯迪切夫斯基和他的同事們對他們的成功表示樂觀。一個硅原子可以附著4個鋰離子，這意味著與重量相近的石墨陽極相比，一個硅陽極可以儲存10倍的鋰。這一潛力意味著，美國國家研究院對硅陽極材料充滿了興趣，Amprius、Enovix和Envia等風(fēng)投機(jī)構(gòu)支持的初創(chuàng)企業(yè)也是如此。
當(dāng)鋰離子在電池充電時附著在陽極上時，它會輕微膨脹，然后在使用時再次收縮。在重復(fù)的充電循環(huán)中，這種膨脹和收縮破壞了固態(tài)電解質(zhì)界面層，后者是一種保護(hù)物質(zhì)，在陽極表面形成斑塊。這種損害會產(chǎn)生副作用，消耗電池中的部分鋰。伯迪切夫斯基說：“它被困在無用的垃圾里。”
隨著時間的推移，這是智能手機(jī)開始快速損失儲能的主要原因。石墨陽極膨脹和收縮約7%，因此在性能開始急劇下滑之前，它可以完成大約1000個充放周期。這相當(dāng)于一部智能手機(jī)持續(xù)兩年、每天充電。但由于硅顆粒能吸附如此多的鋰，它們在充電時膨脹的幅度要大得多（高達(dá)400%）。大多數(shù)硅陽極經(jīng)過幾次充電循環(huán)后會發(fā)生斷裂。在實驗室的5年多時間里，Sila Nanotechnologies創(chuàng)造了一種納米復(fù)合材料來解決膨脹問題。
