關(guān)于新能源車(chē)是燃料電池好還是純電動(dòng)好？未來(lái)電池能與汽油的存儲(chǔ)能力競(jìng)爭(zhēng)嗎？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-16 09:01
點(diǎn)擊量：次
于新能源車(chē)的發(fā)展方向，從理論上來(lái)講，燃料電池無(wú)疑是眼下我們能夠看到的幾種技術(shù)中最具技術(shù)發(fā)展前景的。因?yàn)椴粌H僅是汽車(chē)，燃料電池這種全新的能源轉(zhuǎn)換方式還在發(fā)電領(lǐng)域有所建樹(shù)。但是，從最近幾大汽車(chē)主流消費(fèi)國(guó)的新能源車(chē)發(fā)展上來(lái)看，似乎除了日本之外，插電式混合動(dòng)力和純電動(dòng)車(chē)開(kāi)始呈現(xiàn)出要在未來(lái)主導(dǎo)新能源市場(chǎng)的趨勢(shì)。從上世紀(jì)開(kāi)始，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)就已經(jīng)不再是某個(gè)國(guó)家就可以獨(dú)立發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，全球化標(biāo)準(zhǔn)的制定將在很大程度上成為主導(dǎo)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動(dòng)向。特別是對(duì)于新能源汽車(chē)而言，全球性的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)將成為主導(dǎo)未來(lái)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大變數(shù)。
在內(nèi)燃機(jī)時(shí)代，加油接口都是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，所以無(wú)論各個(gè)派系質(zhì)檢的動(dòng)力系統(tǒng)如何變化，終歸都是要回歸到加油口這個(gè)地方來(lái)的。但是在新能源時(shí)代，傳統(tǒng)的加油接口將被新的能源補(bǔ)充方式所取代。眼下正是新能源動(dòng)力技術(shù)變革的初期，在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)制定前各種新能源動(dòng)力技術(shù)呈現(xiàn)出百花齊放的態(tài)勢(shì)。僅從大的分類(lèi)來(lái)看目前就存在著插電式混合動(dòng)力、純電動(dòng)、燃料電池這么幾種，如果再細(xì)化到單一電動(dòng)技術(shù)中，也同樣存在著充電接口的不同，充電電壓的不同，充電形式的不同。百花齊放的年代往往就是競(jìng)爭(zhēng)最為激烈的年代，未來(lái)的新能源動(dòng)力技術(shù)將使用何種形式的接口作為標(biāo)準(zhǔn)就是這一場(chǎng)競(jìng)賽中唯一的裁判。換句話說(shuō)，眼下的新能源市場(chǎng)爭(zhēng)奪實(shí)際上就是接口標(biāo)準(zhǔn)制定權(quán)的爭(zhēng)奪。
從現(xiàn)在新能源動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展方向來(lái)看，目前國(guó)際上存在著兩個(gè)截然不同的陣營(yíng)，一是以中國(guó)和歐洲為代表的電動(dòng)車(chē)陣營(yíng)，中國(guó)和德國(guó)政府甚至還就電動(dòng)車(chē)充電接口的標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題達(dá)成了統(tǒng)一，這可以看作是雙方政府對(duì)于新能源發(fā)展方向的一次肯定。在產(chǎn)品方面，攪局者特斯拉的出現(xiàn)讓新能源動(dòng)力成為了時(shí)尚的潮流。另一個(gè)陣營(yíng)則是以日本和韓國(guó)為代表的燃料電池陣營(yíng)，日本國(guó)內(nèi)在完成了混合動(dòng)力的普及之后，將未來(lái)新能源車(chē)發(fā)展的道路鎖定在了更具有先進(jìn)性的燃料電池領(lǐng)域，目前豐田旗下的首款燃料電池車(chē)Mirai已經(jīng)正式發(fā)布，成為目前市場(chǎng)上首款大批量投產(chǎn)的燃料電池車(chē)型。韓國(guó)則以現(xiàn)代汽車(chē)為代表投放了燃料電池版的ix35進(jìn)入市場(chǎng)。
關(guān)于燃料電池的工作原理，筆者已經(jīng)多次撰文進(jìn)行了解釋，所以在這里就簡(jiǎn)單的啰嗦兩句。燃料電池的原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，就是氫燃料在燃料電池的陽(yáng)極板，也就是負(fù)極，經(jīng)過(guò)催化層的作用，將氫原子的一個(gè)電子分離出來(lái)。然后失去電子的氫離子通過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)燃料電池的陰極板，也就是正極。游離后的電子不能并通過(guò)質(zhì)子交換膜，所以就只能經(jīng)過(guò)外部的通路到達(dá)陰極板與氫離子重新結(jié)合，在電子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中自然就在外電路產(chǎn)生電流。而這個(gè)電流經(jīng)過(guò)逆變器以及控制器等裝置之后，就能夠到達(dá)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)能。到達(dá)陰極板之后的電子又與在那里的氫離子和氧原子重新結(jié)合為水。從這個(gè)簡(jiǎn)單的原理中我們不難看到，要驅(qū)動(dòng)燃料電池車(chē)運(yùn)行，我們只需要補(bǔ)充氫能源就好。
電動(dòng)動(dòng)力的原理則相對(duì)簡(jiǎn)單，以高能量密度的電池組作為動(dòng)力源向電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，電池組通過(guò)外接的充電方式進(jìn)行能源補(bǔ)給。不同的電動(dòng)車(chē)根據(jù)技術(shù)方向的不同采用的電池組結(jié)構(gòu)形式也不同，不過(guò)充電的大致原理都大同小異。在外接電源的作用下陰極的原子電離成離子和電子，離子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)與電子重新結(jié)合成原子，放電正好與之相反。所以電動(dòng)車(chē)要運(yùn)行，需要通過(guò)外接電源進(jìn)行充電。
所以，從實(shí)用的角度來(lái)看，制約電動(dòng)車(chē)發(fā)展的最大問(wèn)題就在于充電時(shí)間上。電動(dòng)車(chē)重新補(bǔ)充能量的過(guò)程是一次將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)蓄的過(guò)程需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，但是對(duì)于燃料電池車(chē)而言，重新獲得能量的過(guò)程則是一次氫燃料加注的過(guò)程。前者補(bǔ)充一次可能需要數(shù)小時(shí)，但是后者僅需幾分鐘。從使用線性來(lái)看，燃料電池車(chē)型也更加趨向于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)的表現(xiàn)，并不會(huì)像電動(dòng)車(chē)那樣出現(xiàn)電能上下波動(dòng)和電量衰退的情況。更何況，燃料電池系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換不涉及燃燒，所以擁有更高的能量轉(zhuǎn)換效率，每一輛燃料電池車(chē)都可以當(dāng)做是一個(gè)小型的燃料電池發(fā)電站。從技術(shù)的角度來(lái)看，燃料電池車(chē)比純電動(dòng)車(chē)更具有推廣價(jià)值。但是，左右新能源發(fā)展的并不僅僅是技術(shù)，市場(chǎng)才是關(guān)鍵力量，而市場(chǎng)從來(lái)都只認(rèn)可擁有廣泛群眾基礎(chǔ)的方案。由于能源補(bǔ)充接口的孑然不同，這一次新能源動(dòng)力發(fā)展方向之間的博弈最終的結(jié)果將會(huì)導(dǎo)致失敗的一方徹底沉淪。所以，燃料電池車(chē)和電動(dòng)車(chē)都開(kāi)始了技術(shù)運(yùn)用版圖的爭(zhēng)奪，這最簡(jiǎn)單的辦法就是開(kāi)放專利。
去年六月份，特斯拉正式宣布將開(kāi)放其包括電池管理系統(tǒng)以及超級(jí)充電站技術(shù)在內(nèi)的所有技術(shù)專利技術(shù)。以此來(lái)刺激電動(dòng)車(chē)行業(yè)的發(fā)展。繼特斯拉宣布放開(kāi)全部專利之后，在2015年的拉斯維加斯消費(fèi)電子展開(kāi)展的前夕，豐田汽車(chē)也正式宣布將會(huì)開(kāi)放氫燃料電池技術(shù)專利的使用權(quán)，未來(lái)全球范圍內(nèi)的汽車(chē)制造商和零部件供應(yīng)商將可免費(fèi)使用豐田的氫燃料電池技術(shù)專利。此次豐田開(kāi)放的燃料電池技術(shù)專利共計(jì)5680項(xiàng)，其中涉及Mirai燃料電池車(chē)的專利也高達(dá)1970項(xiàng)。此外，豐田還將實(shí)施一個(gè)實(shí)質(zhì)性的金融支持計(jì)劃，包括投資建設(shè)氫燃料供應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及燃料電池技術(shù)在商用車(chē)領(lǐng)域的推廣。
電池先驅(qū)惠廷厄姆說(shuō)：“我們只懂了點(diǎn)皮毛”。隨著世界為擺脫對(duì)化石燃料依賴做出的每個(gè)努力，電池很可能在我們?nèi)粘Ｉ钪邪缪菰絹?lái)越重要的角色，其中鋰電池更甚。
未來(lái)電池能與汽油的存儲(chǔ)能力競(jìng)爭(zhēng)嗎？
三年前，科學(xué)記者福哈德·曼約奧(FarhadManjoo)給美國(guó)網(wǎng)絡(luò)雜志寫(xiě)了篇文章，稱“更好的電池將拯救世界”，然而副標(biāo)題卻“反駁”大標(biāo)題的說(shuō)“太糟糕了，不可能做到”。盡管當(dāng)時(shí)汽車(chē)領(lǐng)域剛剛推出特斯拉S、尼桑LEAF、雪佛蘭Volt，并發(fā)布了大量新型混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車(chē)，從箱型經(jīng)濟(jì)車(chē)到兩款豪華的混合型保時(shí)捷。
曼約奧和其他人預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題是多方面的：(1)汽車(chē)電池非常昂貴；(2)“能源密度”(單位重量含能源的數(shù)量)似乎比汽油還相差甚遠(yuǎn)；(3)也許有危險(xiǎn)——電池的新興關(guān)鍵材料鋰本身不穩(wěn)定，在空氣中化為粉末。一個(gè)問(wèn)題是潮濕可能發(fā)生爆炸。另一問(wèn)題是這種材料被“隔絕”，有可能發(fā)生“熱擊穿”——快速加熱直至著火。所以，重要的是鋰要保持冷卻和干燥。
但最后這個(gè)警告恰好是鋰為何成為有吸引力電池材料的原因：它危險(xiǎn)的能源是巨大優(yōu)勢(shì)。因此，電池技術(shù)方面有個(gè)寂靜的鋰“沖刺”，一直并繼續(xù)在真正地進(jìn)步。近幾年由于電池的進(jìn)步，化石燃料汽車(chē)成為“審美”選擇，不是經(jīng)濟(jì)的必要。我們的城市電網(wǎng)將變得更復(fù)雜，也更可預(yù)測(cè)、可靠和經(jīng)濟(jì)。
電池沖擊
汽車(chē)電池從鉛酸轉(zhuǎn)向鋰電池，鎳鎘手電筒轉(zhuǎn)向手持鋰離子設(shè)計(jì)，電池變得更加高效。沒(méi)有鋰離子電池，幾乎一定不會(huì)有現(xiàn)在的“手機(jī)社會(huì)”。但走近大型設(shè)備如交通工具和電站之類(lèi)、能拯救我們能源消費(fèi)生命的場(chǎng)所，到處充斥曾經(jīng)選定的優(yōu)勝者如A123系統(tǒng)及其贊助商、菲斯卡爾業(yè)力(FiskarKarma)汽車(chē)、莫里能源、Avestor、曾經(jīng)給通用車(chē)隊(duì)提供動(dòng)力的Envia，全都虧損數(shù)百萬(wàn)并且勉強(qiáng)逃離起跑柵門(mén)。
如果說(shuō)有人理解電池革命面臨的挑戰(zhàn)的話，那正是此人在上個(gè)世紀(jì)70年代末為?？松?Exxon)石油公司發(fā)明鋰離子電池拉開(kāi)了應(yīng)戰(zhàn)的帷幕。正是史丹尼·惠廷厄姆(M.StanleyWhittingham)，現(xiàn)在紐約州北部賓漢噸大學(xué)的化學(xué)教授曾預(yù)言，“10年內(nèi)，每輛車(chē)都會(huì)是混合動(dòng)力或電動(dòng)車(chē)。”
他認(rèn)為有許多理由持樂(lè)觀態(tài)度。舉例說(shuō)，大量資源正投入制造更好電池的技術(shù)挑戰(zhàn)，從剛起步的小型電腦公司和專科學(xué)院到供應(yīng)充足的大學(xué)如哈佛和斯坦福的實(shí)驗(yàn)室，還有美國(guó)主要的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，包括阿貢、勞倫斯利弗莫爾和圣地亞，以及德國(guó)、荷蘭、法國(guó)、日本、韓國(guó)和中國(guó)大公司的實(shí)驗(yàn)室。
還有清晰而迫切降低人類(lèi)發(fā)射溫室氣體的需要。取代化石燃料能源，電池將發(fā)揮很大作用。消費(fèi)者顯然需要可再生能源：例如電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)銷(xiāo)售正在強(qiáng)勁增長(zhǎng)。
更好的電池提供兩個(gè)大獎(jiǎng)項(xiàng)：首先是負(fù)擔(dān)得起的電動(dòng)汽車(chē)，它是我們未來(lái)“移動(dòng)社會(huì)”的支柱；其次是更靈活、分散的電力網(wǎng)，因?yàn)橄冗M(jìn)的固定式電池將以更低的價(jià)格保持我們家庭和工廠的電力供應(yīng)。
結(jié)束“里程”焦慮
最初提議的電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)是適度的，每次充電驅(qū)動(dòng)里程在40-100英里(高價(jià)的特斯拉公司的電動(dòng)汽車(chē)額定265英里除外)，而且只在理想的條件下。然而，不久之后的第二代就能達(dá)到200英里。韓國(guó)大公司樂(lè)金化學(xué)(LGChem)給雪佛萊Volt和福特Focus供應(yīng)電池組，據(jù)報(bào)道其更新的鋰離子設(shè)計(jì)將于2016年使這些汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)里程達(dá)到200英里。特斯拉電動(dòng)汽車(chē)公司主席和主要股東伊隆·馬斯克(ElonMusk)說(shuō)，今年8月他的公司就在致力于新電池，要把公司汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)里程提升到500英里。
與此同時(shí)，電池的成本在下降。研究公司法維翰(Navigant)指出，五年前筆記本電腦電池的價(jià)格約為每千瓦-時(shí)1000美元，現(xiàn)今“價(jià)格接近每千瓦-時(shí)250美元”。2012年7月麥肯錫咨詢公司(McKinsey·Company)報(bào)道說(shuō)，到2025年汽車(chē)用先進(jìn)鋰離子電池的價(jià)格將會(huì)從2011年的每千瓦-時(shí)500美元降到每千瓦-時(shí)160美元。法維翰公司說(shuō)，到2020年電池的交易額將從今天的120億美元上升到750億美元。
不久的將來(lái)，電池汽車(chē)將在成本上與汽油動(dòng)力汽車(chē)競(jìng)爭(zhēng)。馬斯克曾說(shuō)，電池動(dòng)力的“圣杯”是每公里-時(shí)100美元，他預(yù)料在“五到七年”內(nèi)實(shí)現(xiàn)。特斯拉公司正在與日本松下公司共同努力在內(nèi)華達(dá)州斯伯克斯建造50億美元的“電池工廠”，制造先進(jìn)電池，規(guī)模上有利可圖。預(yù)計(jì)每年生產(chǎn)50萬(wàn)臺(tái)電池組，使全世界鋰離子電池產(chǎn)量翻番。
強(qiáng)大的比亞迪秦
電池有三個(gè)基本部件：兩個(gè)電極，陽(yáng)極(帶負(fù)電荷)和陰極(帶正電荷)，以及中間的電解液(或俗稱電池液)。發(fā)生的是化學(xué)反應(yīng)，閉合電池回路(也就是接通燈開(kāi)關(guān))，電子從陽(yáng)極流出，通過(guò)電解液流入陰極，流過(guò)燈泡做功。離子流的方向相反。最終結(jié)果是中性狀態(tài)，電池或者被廢棄，或者再充電。
現(xiàn)在大多數(shù)汽車(chē)電池可再充電，而且用某種形態(tài)的鋰作為一個(gè)電極，鈷或碳作為另一個(gè)電極，氧化鋁作為電解液。但研究人員渴望下一件“大事”是探索在電池技術(shù)上取得“從爬行到?jīng)_刺”的進(jìn)展。某些重大進(jìn)步展示出成功的希望，能源密度約為鋰離子的三到五倍，按照理論上鉑金標(biāo)準(zhǔn)，作為汽車(chē)的燃料甚至超過(guò)汽油。
最大膽的概念是鋰-空氣，擺脫傳統(tǒng)金屬作為陰極，用碳取而代之，徹底改造電池，抽取空氣中的氧原子代替電解液中的氧化物。麻省理工學(xué)院(MIT)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)提出納米絲構(gòu)成的陰極。這是一種非常微小、用單個(gè)原子建成的結(jié)構(gòu)，實(shí)際上是由基因變異病毒制造的。這是個(gè)非常棘手的材料，實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)證實(shí)比典型的鋰離子電池容量高二倍，而且再充電更快。
隨著電池化學(xué)的進(jìn)展，類(lèi)似這樣的新材料將成為關(guān)鍵。石墨烯即超薄(只有原子寬度那么厚)的單層碳，最初由兩個(gè)俄羅斯科學(xué)家2003年在曼徹斯特大學(xué)制造(而且為此獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))并開(kāi)發(fā)為電極物質(zhì)。它的堅(jiān)強(qiáng)、柔韌和傳導(dǎo)性令人驚訝，也能大規(guī)模便宜地制造，網(wǎng)上訂貨，每克5美元。在電池內(nèi)，它能急劇減少充電時(shí)間，增大儲(chǔ)能容量。出自西北大學(xué)和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、總部在美國(guó)密歇根州的XG科學(xué)和SciNode系統(tǒng)二者都在致力研究石墨烯電池。據(jù)SciNode說(shuō)，它的陽(yáng)極能提供比常規(guī)碳高三倍或更大的儲(chǔ)存容量。據(jù)中國(guó)新華社報(bào)道，特拉斯公司也可能有個(gè)石墨烯項(xiàng)目.
除以上外，電池工業(yè)界正以極高的速度推動(dòng)環(huán)保型無(wú)汞堿性鋅錳原電池及可充電電池和密封鉛酸蓄電池的技術(shù)發(fā)展及擴(kuò)大應(yīng)用市場(chǎng)。
推動(dòng)這些熱點(diǎn)電池技術(shù)發(fā)展的真正推動(dòng)力來(lái)自以下四個(gè)方面：
1．信息技術(shù)的發(fā)展，特別是移動(dòng)通信及筆記本計(jì)算機(jī)等的迅速發(fā)展，迫切要求電池小型化、輕型化、長(zhǎng)服務(wù)時(shí)間、長(zhǎng)工作壽命和免維護(hù)。
2．環(huán)境保護(hù)呼聲愈來(lái)愈高，這首先要求電池本身無(wú)毒和無(wú)污染，因此這就推動(dòng)了無(wú)汞電池及新型電池取代鎘鎳電池的發(fā)展。
3．全世界天然能源，如石油和煤正在不斷消耗，終將耗竭，尋求新能源的呼聲愈來(lái)愈高，無(wú)污染、低成本的太陽(yáng)電池技術(shù)正受到高度重視。
4．科學(xué)工作者近年來(lái)在電池新材料領(lǐng)域取得了重大突破，其中穩(wěn)定的貯氫合金材料使金屬氫化物鎳電池得以問(wèn)世；對(duì)鋰離子可逆嵌入及脫嵌的碳或石墨材料及相關(guān)電解質(zhì)的配合應(yīng)用，使鋰離子電池得以問(wèn)世；聚合物質(zhì)子交換膜的不斷完善，使pem燃料電池向?qū)嵱没较虬l(fā)展等等。
從以上分析也可以看出，新型綠色環(huán)保電池已經(jīng)或?qū)⒃诎l(fā)展電子信息，新能源及環(huán)境保護(hù)等面向21世紀(jì)的重大技術(shù)領(lǐng)域中具有舉足輕重的作用和地位，同時(shí)新型電池在滿足現(xiàn)代化軍事裝備及武器、交通運(yùn)輸、辦公自動(dòng)化、礦產(chǎn)探查、石油鉆井、醫(yī)療器械乃至家用電器等所有領(lǐng)域中的需求方面，也具有非常重要的作用和地位。因此，不少專家把新型電池技術(shù)稱為面向21世紀(jì)具有戰(zhàn)略意義的軍民二用技術(shù)。許多有影響的國(guó)際組織和期刊還對(duì)此作了直接宣傳和報(bào)道，如美國(guó)非常有影響的巴特爾技術(shù)管理集團(tuán)在發(fā)布到2005年要發(fā)展的十項(xiàng)尖端技術(shù)中把小型電池compactenergysources：長(zhǎng)壽命電池和燃料電池）列為僅次于基因組計(jì)劃和超級(jí)材料之后的第三項(xiàng)。
新能源技術(shù)取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)是歷史發(fā)展的必然，但是新能源技術(shù)最終將朝著哪一種方向去發(fā)展我們還不得而知。在這個(gè)交叉路口，選擇哪一條道路作為新能源汽車(chē)的發(fā)展方向都意味著巨大的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，一旦開(kāi)弓就再無(wú)回頭路。所以，燃料電池車(chē)和電動(dòng)車(chē)之間的市場(chǎng)爭(zhēng)奪在未來(lái)只會(huì)越來(lái)越激烈。
在內(nèi)燃機(jī)時(shí)代，加油接口都是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，所以無(wú)論各個(gè)派系質(zhì)檢的動(dòng)力系統(tǒng)如何變化，終歸都是要回歸到加油口這個(gè)地方來(lái)的。但是在新能源時(shí)代，傳統(tǒng)的加油接口將被新的能源補(bǔ)充方式所取代。眼下正是新能源動(dòng)力技術(shù)變革的初期，在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)制定前各種新能源動(dòng)力技術(shù)呈現(xiàn)出百花齊放的態(tài)勢(shì)。僅從大的分類(lèi)來(lái)看目前就存在著插電式混合動(dòng)力、純電動(dòng)、燃料電池這么幾種，如果再細(xì)化到單一電動(dòng)技術(shù)中，也同樣存在著充電接口的不同，充電電壓的不同，充電形式的不同。百花齊放的年代往往就是競(jìng)爭(zhēng)最為激烈的年代，未來(lái)的新能源動(dòng)力技術(shù)將使用何種形式的接口作為標(biāo)準(zhǔn)就是這一場(chǎng)競(jìng)賽中唯一的裁判。換句話說(shuō)，眼下的新能源市場(chǎng)爭(zhēng)奪實(shí)際上就是接口標(biāo)準(zhǔn)制定權(quán)的爭(zhēng)奪。
從現(xiàn)在新能源動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展方向來(lái)看，目前國(guó)際上存在著兩個(gè)截然不同的陣營(yíng)，一是以中國(guó)和歐洲為代表的電動(dòng)車(chē)陣營(yíng)，中國(guó)和德國(guó)政府甚至還就電動(dòng)車(chē)充電接口的標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題達(dá)成了統(tǒng)一，這可以看作是雙方政府對(duì)于新能源發(fā)展方向的一次肯定。在產(chǎn)品方面，攪局者特斯拉的出現(xiàn)讓新能源動(dòng)力成為了時(shí)尚的潮流。另一個(gè)陣營(yíng)則是以日本和韓國(guó)為代表的燃料電池陣營(yíng)，日本國(guó)內(nèi)在完成了混合動(dòng)力的普及之后，將未來(lái)新能源車(chē)發(fā)展的道路鎖定在了更具有先進(jìn)性的燃料電池領(lǐng)域，目前豐田旗下的首款燃料電池車(chē)Mirai已經(jīng)正式發(fā)布，成為目前市場(chǎng)上首款大批量投產(chǎn)的燃料電池車(chē)型。韓國(guó)則以現(xiàn)代汽車(chē)為代表投放了燃料電池版的ix35進(jìn)入市場(chǎng)。
關(guān)于燃料電池的工作原理，筆者已經(jīng)多次撰文進(jìn)行了解釋，所以在這里就簡(jiǎn)單的啰嗦兩句。燃料電池的原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，就是氫燃料在燃料電池的陽(yáng)極板，也就是負(fù)極，經(jīng)過(guò)催化層的作用，將氫原子的一個(gè)電子分離出來(lái)。然后失去電子的氫離子通過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)燃料電池的陰極板，也就是正極。游離后的電子不能并通過(guò)質(zhì)子交換膜，所以就只能經(jīng)過(guò)外部的通路到達(dá)陰極板與氫離子重新結(jié)合，在電子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中自然就在外電路產(chǎn)生電流。而這個(gè)電流經(jīng)過(guò)逆變器以及控制器等裝置之后，就能夠到達(dá)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)能。到達(dá)陰極板之后的電子又與在那里的氫離子和氧原子重新結(jié)合為水。從這個(gè)簡(jiǎn)單的原理中我們不難看到，要驅(qū)動(dòng)燃料電池車(chē)運(yùn)行，我們只需要補(bǔ)充氫能源就好。
電動(dòng)動(dòng)力的原理則相對(duì)簡(jiǎn)單，以高能量密度的電池組作為動(dòng)力源向電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，電池組通過(guò)外接的充電方式進(jìn)行能源補(bǔ)給。不同的電動(dòng)車(chē)根據(jù)技術(shù)方向的不同采用的電池組結(jié)構(gòu)形式也不同，不過(guò)充電的大致原理都大同小異。在外接電源的作用下陰極的原子電離成離子和電子，離子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)與電子重新結(jié)合成原子，放電正好與之相反。所以電動(dòng)車(chē)要運(yùn)行，需要通過(guò)外接電源進(jìn)行充電。
所以，從實(shí)用的角度來(lái)看，制約電動(dòng)車(chē)發(fā)展的最大問(wèn)題就在于充電時(shí)間上。電動(dòng)車(chē)重新補(bǔ)充能量的過(guò)程是一次將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)蓄的過(guò)程需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，但是對(duì)于燃料電池車(chē)而言，重新獲得能量的過(guò)程則是一次氫燃料加注的過(guò)程。前者補(bǔ)充一次可能需要數(shù)小時(shí)，但是后者僅需幾分鐘。從使用線性來(lái)看，燃料電池車(chē)型也更加趨向于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)的表現(xiàn)，并不會(huì)像電動(dòng)車(chē)那樣出現(xiàn)電能上下波動(dòng)和電量衰退的情況。更何況，燃料電池系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換不涉及燃燒，所以擁有更高的能量轉(zhuǎn)換效率，每一輛燃料電池車(chē)都可以當(dāng)做是一個(gè)小型的燃料電池發(fā)電站。從技術(shù)的角度來(lái)看，燃料電池車(chē)比純電動(dòng)車(chē)更具有推廣價(jià)值。但是，左右新能源發(fā)展的并不僅僅是技術(shù)，市場(chǎng)才是關(guān)鍵力量，而市場(chǎng)從來(lái)都只認(rèn)可擁有廣泛群眾基礎(chǔ)的方案。由于能源補(bǔ)充接口的孑然不同，這一次新能源動(dòng)力發(fā)展方向之間的博弈最終的結(jié)果將會(huì)導(dǎo)致失敗的一方徹底沉淪。所以，燃料電池車(chē)和電動(dòng)車(chē)都開(kāi)始了技術(shù)運(yùn)用版圖的爭(zhēng)奪，這最簡(jiǎn)單的辦法就是開(kāi)放專利。
去年六月份，特斯拉正式宣布將開(kāi)放其包括電池管理系統(tǒng)以及超級(jí)充電站技術(shù)在內(nèi)的所有技術(shù)專利技術(shù)。以此來(lái)刺激電動(dòng)車(chē)行業(yè)的發(fā)展。繼特斯拉宣布放開(kāi)全部專利之后，在2015年的拉斯維加斯消費(fèi)電子展開(kāi)展的前夕，豐田汽車(chē)也正式宣布將會(huì)開(kāi)放氫燃料電池技術(shù)專利的使用權(quán)，未來(lái)全球范圍內(nèi)的汽車(chē)制造商和零部件供應(yīng)商將可免費(fèi)使用豐田的氫燃料電池技術(shù)專利。此次豐田開(kāi)放的燃料電池技術(shù)專利共計(jì)5680項(xiàng)，其中涉及Mirai燃料電池車(chē)的專利也高達(dá)1970項(xiàng)。此外，豐田還將實(shí)施一個(gè)實(shí)質(zhì)性的金融支持計(jì)劃，包括投資建設(shè)氫燃料供應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及燃料電池技術(shù)在商用車(chē)領(lǐng)域的推廣。
電池先驅(qū)惠廷厄姆說(shuō)：“我們只懂了點(diǎn)皮毛”。隨著世界為擺脫對(duì)化石燃料依賴做出的每個(gè)努力，電池很可能在我們?nèi)粘Ｉ钪邪缪菰絹?lái)越重要的角色，其中鋰電池更甚。
未來(lái)電池能與汽油的存儲(chǔ)能力競(jìng)爭(zhēng)嗎？
三年前，科學(xué)記者福哈德·曼約奧(FarhadManjoo)給美國(guó)網(wǎng)絡(luò)雜志寫(xiě)了篇文章，稱“更好的電池將拯救世界”，然而副標(biāo)題卻“反駁”大標(biāo)題的說(shuō)“太糟糕了，不可能做到”。盡管當(dāng)時(shí)汽車(chē)領(lǐng)域剛剛推出特斯拉S、尼桑LEAF、雪佛蘭Volt，并發(fā)布了大量新型混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車(chē)，從箱型經(jīng)濟(jì)車(chē)到兩款豪華的混合型保時(shí)捷。
曼約奧和其他人預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題是多方面的：(1)汽車(chē)電池非常昂貴；(2)“能源密度”(單位重量含能源的數(shù)量)似乎比汽油還相差甚遠(yuǎn)；(3)也許有危險(xiǎn)——電池的新興關(guān)鍵材料鋰本身不穩(wěn)定，在空氣中化為粉末。一個(gè)問(wèn)題是潮濕可能發(fā)生爆炸。另一問(wèn)題是這種材料被“隔絕”，有可能發(fā)生“熱擊穿”——快速加熱直至著火。所以，重要的是鋰要保持冷卻和干燥。
但最后這個(gè)警告恰好是鋰為何成為有吸引力電池材料的原因：它危險(xiǎn)的能源是巨大優(yōu)勢(shì)。因此，電池技術(shù)方面有個(gè)寂靜的鋰“沖刺”，一直并繼續(xù)在真正地進(jìn)步。近幾年由于電池的進(jìn)步，化石燃料汽車(chē)成為“審美”選擇，不是經(jīng)濟(jì)的必要。我們的城市電網(wǎng)將變得更復(fù)雜，也更可預(yù)測(cè)、可靠和經(jīng)濟(jì)。
電池沖擊
汽車(chē)電池從鉛酸轉(zhuǎn)向鋰電池，鎳鎘手電筒轉(zhuǎn)向手持鋰離子設(shè)計(jì)，電池變得更加高效。沒(méi)有鋰離子電池，幾乎一定不會(huì)有現(xiàn)在的“手機(jī)社會(huì)”。但走近大型設(shè)備如交通工具和電站之類(lèi)、能拯救我們能源消費(fèi)生命的場(chǎng)所，到處充斥曾經(jīng)選定的優(yōu)勝者如A123系統(tǒng)及其贊助商、菲斯卡爾業(yè)力(FiskarKarma)汽車(chē)、莫里能源、Avestor、曾經(jīng)給通用車(chē)隊(duì)提供動(dòng)力的Envia，全都虧損數(shù)百萬(wàn)并且勉強(qiáng)逃離起跑柵門(mén)。
如果說(shuō)有人理解電池革命面臨的挑戰(zhàn)的話，那正是此人在上個(gè)世紀(jì)70年代末為?？松?Exxon)石油公司發(fā)明鋰離子電池拉開(kāi)了應(yīng)戰(zhàn)的帷幕。正是史丹尼·惠廷厄姆(M.StanleyWhittingham)，現(xiàn)在紐約州北部賓漢噸大學(xué)的化學(xué)教授曾預(yù)言，“10年內(nèi)，每輛車(chē)都會(huì)是混合動(dòng)力或電動(dòng)車(chē)。”
他認(rèn)為有許多理由持樂(lè)觀態(tài)度。舉例說(shuō)，大量資源正投入制造更好電池的技術(shù)挑戰(zhàn)，從剛起步的小型電腦公司和專科學(xué)院到供應(yīng)充足的大學(xué)如哈佛和斯坦福的實(shí)驗(yàn)室，還有美國(guó)主要的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，包括阿貢、勞倫斯利弗莫爾和圣地亞，以及德國(guó)、荷蘭、法國(guó)、日本、韓國(guó)和中國(guó)大公司的實(shí)驗(yàn)室。
還有清晰而迫切降低人類(lèi)發(fā)射溫室氣體的需要。取代化石燃料能源，電池將發(fā)揮很大作用。消費(fèi)者顯然需要可再生能源：例如電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)銷(xiāo)售正在強(qiáng)勁增長(zhǎng)。
更好的電池提供兩個(gè)大獎(jiǎng)項(xiàng)：首先是負(fù)擔(dān)得起的電動(dòng)汽車(chē)，它是我們未來(lái)“移動(dòng)社會(huì)”的支柱；其次是更靈活、分散的電力網(wǎng)，因?yàn)橄冗M(jìn)的固定式電池將以更低的價(jià)格保持我們家庭和工廠的電力供應(yīng)。
結(jié)束“里程”焦慮
最初提議的電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)是適度的，每次充電驅(qū)動(dòng)里程在40-100英里(高價(jià)的特斯拉公司的電動(dòng)汽車(chē)額定265英里除外)，而且只在理想的條件下。然而，不久之后的第二代就能達(dá)到200英里。韓國(guó)大公司樂(lè)金化學(xué)(LGChem)給雪佛萊Volt和福特Focus供應(yīng)電池組，據(jù)報(bào)道其更新的鋰離子設(shè)計(jì)將于2016年使這些汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)里程達(dá)到200英里。特斯拉電動(dòng)汽車(chē)公司主席和主要股東伊隆·馬斯克(ElonMusk)說(shuō)，今年8月他的公司就在致力于新電池，要把公司汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)里程提升到500英里。
與此同時(shí)，電池的成本在下降。研究公司法維翰(Navigant)指出，五年前筆記本電腦電池的價(jià)格約為每千瓦-時(shí)1000美元，現(xiàn)今“價(jià)格接近每千瓦-時(shí)250美元”。2012年7月麥肯錫咨詢公司(McKinsey·Company)報(bào)道說(shuō)，到2025年汽車(chē)用先進(jìn)鋰離子電池的價(jià)格將會(huì)從2011年的每千瓦-時(shí)500美元降到每千瓦-時(shí)160美元。法維翰公司說(shuō)，到2020年電池的交易額將從今天的120億美元上升到750億美元。
不久的將來(lái)，電池汽車(chē)將在成本上與汽油動(dòng)力汽車(chē)競(jìng)爭(zhēng)。馬斯克曾說(shuō)，電池動(dòng)力的“圣杯”是每公里-時(shí)100美元，他預(yù)料在“五到七年”內(nèi)實(shí)現(xiàn)。特斯拉公司正在與日本松下公司共同努力在內(nèi)華達(dá)州斯伯克斯建造50億美元的“電池工廠”，制造先進(jìn)電池，規(guī)模上有利可圖。預(yù)計(jì)每年生產(chǎn)50萬(wàn)臺(tái)電池組，使全世界鋰離子電池產(chǎn)量翻番。
強(qiáng)大的比亞迪秦
電池有三個(gè)基本部件：兩個(gè)電極，陽(yáng)極(帶負(fù)電荷)和陰極(帶正電荷)，以及中間的電解液(或俗稱電池液)。發(fā)生的是化學(xué)反應(yīng)，閉合電池回路(也就是接通燈開(kāi)關(guān))，電子從陽(yáng)極流出，通過(guò)電解液流入陰極，流過(guò)燈泡做功。離子流的方向相反。最終結(jié)果是中性狀態(tài)，電池或者被廢棄，或者再充電。
現(xiàn)在大多數(shù)汽車(chē)電池可再充電，而且用某種形態(tài)的鋰作為一個(gè)電極，鈷或碳作為另一個(gè)電極，氧化鋁作為電解液。但研究人員渴望下一件“大事”是探索在電池技術(shù)上取得“從爬行到?jīng)_刺”的進(jìn)展。某些重大進(jìn)步展示出成功的希望，能源密度約為鋰離子的三到五倍，按照理論上鉑金標(biāo)準(zhǔn)，作為汽車(chē)的燃料甚至超過(guò)汽油。
最大膽的概念是鋰-空氣，擺脫傳統(tǒng)金屬作為陰極，用碳取而代之，徹底改造電池，抽取空氣中的氧原子代替電解液中的氧化物。麻省理工學(xué)院(MIT)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)提出納米絲構(gòu)成的陰極。這是一種非常微小、用單個(gè)原子建成的結(jié)構(gòu)，實(shí)際上是由基因變異病毒制造的。這是個(gè)非常棘手的材料，實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)證實(shí)比典型的鋰離子電池容量高二倍，而且再充電更快。
隨著電池化學(xué)的進(jìn)展，類(lèi)似這樣的新材料將成為關(guān)鍵。石墨烯即超薄(只有原子寬度那么厚)的單層碳，最初由兩個(gè)俄羅斯科學(xué)家2003年在曼徹斯特大學(xué)制造(而且為此獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))并開(kāi)發(fā)為電極物質(zhì)。它的堅(jiān)強(qiáng)、柔韌和傳導(dǎo)性令人驚訝，也能大規(guī)模便宜地制造，網(wǎng)上訂貨，每克5美元。在電池內(nèi)，它能急劇減少充電時(shí)間，增大儲(chǔ)能容量。出自西北大學(xué)和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、總部在美國(guó)密歇根州的XG科學(xué)和SciNode系統(tǒng)二者都在致力研究石墨烯電池。據(jù)SciNode說(shuō)，它的陽(yáng)極能提供比常規(guī)碳高三倍或更大的儲(chǔ)存容量。據(jù)中國(guó)新華社報(bào)道，特拉斯公司也可能有個(gè)石墨烯項(xiàng)目.
除以上外，電池工業(yè)界正以極高的速度推動(dòng)環(huán)保型無(wú)汞堿性鋅錳原電池及可充電電池和密封鉛酸蓄電池的技術(shù)發(fā)展及擴(kuò)大應(yīng)用市場(chǎng)。
推動(dòng)這些熱點(diǎn)電池技術(shù)發(fā)展的真正推動(dòng)力來(lái)自以下四個(gè)方面：
1．信息技術(shù)的發(fā)展，特別是移動(dòng)通信及筆記本計(jì)算機(jī)等的迅速發(fā)展，迫切要求電池小型化、輕型化、長(zhǎng)服務(wù)時(shí)間、長(zhǎng)工作壽命和免維護(hù)。
2．環(huán)境保護(hù)呼聲愈來(lái)愈高，這首先要求電池本身無(wú)毒和無(wú)污染，因此這就推動(dòng)了無(wú)汞電池及新型電池取代鎘鎳電池的發(fā)展。
3．全世界天然能源，如石油和煤正在不斷消耗，終將耗竭，尋求新能源的呼聲愈來(lái)愈高，無(wú)污染、低成本的太陽(yáng)電池技術(shù)正受到高度重視。
4．科學(xué)工作者近年來(lái)在電池新材料領(lǐng)域取得了重大突破，其中穩(wěn)定的貯氫合金材料使金屬氫化物鎳電池得以問(wèn)世；對(duì)鋰離子可逆嵌入及脫嵌的碳或石墨材料及相關(guān)電解質(zhì)的配合應(yīng)用，使鋰離子電池得以問(wèn)世；聚合物質(zhì)子交換膜的不斷完善，使pem燃料電池向?qū)嵱没较虬l(fā)展等等。
從以上分析也可以看出，新型綠色環(huán)保電池已經(jīng)或?qū)⒃诎l(fā)展電子信息，新能源及環(huán)境保護(hù)等面向21世紀(jì)的重大技術(shù)領(lǐng)域中具有舉足輕重的作用和地位，同時(shí)新型電池在滿足現(xiàn)代化軍事裝備及武器、交通運(yùn)輸、辦公自動(dòng)化、礦產(chǎn)探查、石油鉆井、醫(yī)療器械乃至家用電器等所有領(lǐng)域中的需求方面，也具有非常重要的作用和地位。因此，不少專家把新型電池技術(shù)稱為面向21世紀(jì)具有戰(zhàn)略意義的軍民二用技術(shù)。許多有影響的國(guó)際組織和期刊還對(duì)此作了直接宣傳和報(bào)道，如美國(guó)非常有影響的巴特爾技術(shù)管理集團(tuán)在發(fā)布到2005年要發(fā)展的十項(xiàng)尖端技術(shù)中把小型電池compactenergysources：長(zhǎng)壽命電池和燃料電池）列為僅次于基因組計(jì)劃和超級(jí)材料之后的第三項(xiàng)。
新能源技術(shù)取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)是歷史發(fā)展的必然，但是新能源技術(shù)最終將朝著哪一種方向去發(fā)展我們還不得而知。在這個(gè)交叉路口，選擇哪一條道路作為新能源汽車(chē)的發(fā)展方向都意味著巨大的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，一旦開(kāi)弓就再無(wú)回頭路。所以，燃料電池車(chē)和電動(dòng)車(chē)之間的市場(chǎng)爭(zhēng)奪在未來(lái)只會(huì)越來(lái)越激烈。
