現(xiàn)在的電池技術(shù)是否足夠強(qiáng)大(讓飛機(jī)電動(dòng)化)?
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-07-13 20:23
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據(jù)乘聯(lián)會(huì)最新發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)6月份廣義乘用車(chē)零售銷(xiāo)量同比增長(zhǎng)4.9%，為13個(gè)月來(lái)首度同比上升。作為陸地最強(qiáng)的交通工具——汽車(chē)，如今已進(jìn)入大力推廣使用新能源的階段，如今造電動(dòng)車(chē)已不是什么新鮮事。尤其是對(duì)于“鋼鐵俠”馬斯克而言，上天似乎更有意思。
鋰電也能飛上天？鋼鐵俠：不是不可能！
7月2日，據(jù)特斯拉CEO馬斯克推特言論，隨著電池能量密度(energy density)提高，電動(dòng)飛機(jī)將變得可行。
圖中有網(wǎng)友在社交軟件推特上發(fā)起討論：電動(dòng)飛機(jī)是否可行，或者說(shuō)現(xiàn)在的電池技術(shù)是否足夠強(qiáng)大(讓飛機(jī)電動(dòng)化)?
馬斯克評(píng)論稱(chēng)，雖然可行，但現(xiàn)在能支持的里程太短了。不過(guò)，馬斯克也表示，幾年后，隨著電池能量密度提高，這個(gè)情況會(huì)改變。馬斯克稱(chēng)，在能量密度方面，航空煤油勝過(guò)鋰離子電池，但電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的重量要輕得多，而且儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)化效果會(huì)更好。
馬斯克透露，他此前設(shè)計(jì)電動(dòng)垂直起降飛機(jī)的方案時(shí)，估計(jì)鋰離子電池需要達(dá)到400Wh/kg的能量密度，才能擊敗煤油，這樣其電動(dòng)飛機(jī)方案才可能成為現(xiàn)實(shí)。
目前，高循環(huán)電池可以達(dá)到300Wh/kg的能量密度。馬斯克認(rèn)為，鋰離子電池的能量密度很可能在5年內(nèi)超過(guò)400Wh/kg。
鋰電也能下海游？已有人開(kāi)始“吃螃蟹”
上天至少還要5年，但入海當(dāng)下就可以。
海洋作為孕育人類(lèi)生命的搖籃，至今仍然蘊(yùn)藏著無(wú)盡的資源和秘密等待發(fā)掘；星辰大海的神秘，一直激勵(lì)著人類(lèi)去探索宇宙星辰，深潛發(fā)掘大海的奧秘。而隨著科技發(fā)展，人類(lèi)對(duì)海洋資源的探索也逐漸走上可持續(xù)發(fā)展的征途。近年來(lái)，隨著新能源的深入推廣應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外對(duì)海洋新能源的推廣普及進(jìn)一步加強(qiáng)的趨勢(shì)。
事實(shí)上，早在2015年，我國(guó)就研制出了自主設(shè)計(jì)的500噸級(jí)純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)內(nèi)河航運(yùn)貨船，試水內(nèi)河航運(yùn)船舶新能源化。據(jù)第三方市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，2016年國(guó)內(nèi)電動(dòng)船的市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到五十多億，預(yù)計(jì)到2021年這個(gè)規(guī)模將擴(kuò)展到近百億，市場(chǎng)前景可期。
2017年11月，全球首艘2000噸級(jí)純電動(dòng)散貨船在廣州龍穴造船基地吊裝下水。該船以鋰電池＋超級(jí)電容為動(dòng)力，整船電池容量約為2400kWh，相當(dāng)于40輛比亞迪E6的電池容量。該船的建成填補(bǔ)了世界同噸位級(jí)內(nèi)河雙電驅(qū)動(dòng)散貨船的市場(chǎng)空白。
據(jù)了解，裝配柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的船舶技術(shù)等級(jí)低，航行和進(jìn)港過(guò)程產(chǎn)生大量的油污水和有害氣體及顆粒物，且噪音污染嚴(yán)重，對(duì)水域生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。因此，具有能耗低、零排放、低噪音、無(wú)污染的電動(dòng)船舶是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和船舶系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要路徑。在國(guó)家政策扶持引導(dǎo)和新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)下，我國(guó)鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)水平大幅度提升，成本明顯下降，已經(jīng)具備了支撐電動(dòng)船舶應(yīng)用推廣的良好基礎(chǔ)。
今年6月，來(lái)自國(guó)家部委、行業(yè)協(xié)會(huì)、相關(guān)企業(yè)和科研院所共130余位領(lǐng)導(dǎo)專(zhuān)家齊聚福建寧德，圍繞電動(dòng)船舶的前景、技術(shù)路徑、關(guān)鍵技術(shù)、配套政策、商業(yè)推廣模式和支持措施進(jìn)行研討。
“磷酸鐵鋰電池以其高安全性、長(zhǎng)壽命、低成本、性能均衡等多方優(yōu)勢(shì)成為現(xiàn)階段船舶動(dòng)力電池的最優(yōu)選擇。寧德時(shí)代已攻克了安全、長(zhǎng)續(xù)航、大功率、長(zhǎng)壽命等技術(shù)難題，電池包系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用符合IP67以上防護(hù)等級(jí)的電池包，可有效規(guī)避水汽、鹽霧及粉塵引發(fā)的安全風(fēng)險(xiǎn)，滿(mǎn)足全生命周期內(nèi)的IP等級(jí)要求。”寧德時(shí)代副總裁吳凱在首屆電動(dòng)船舶創(chuàng)新發(fā)展研討會(huì)上表示。盡管電動(dòng)汽車(chē)非常先進(jìn)，但是其動(dòng)力來(lái)源是一個(gè)致命弱點(diǎn)。電動(dòng)汽車(chē)中常用的電池類(lèi)型之一便是鋰離子電池，但是因碰撞或是其他對(duì)汽車(chē)施加的沖擊會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池起火或爆炸，沖擊會(huì)導(dǎo)致電極內(nèi)部短路，因“熱失控”，小火會(huì)蔓延至整個(gè)電池以及汽車(chē)的其他部分。
據(jù)悉，由七〇四所總成、武漢長(zhǎng)江船舶設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)、長(zhǎng)航集團(tuán)綠色航運(yùn)公司提供技術(shù)支持的長(zhǎng)江三峽通航管理局“海巡12909”號(hào)新能源動(dòng)力改造項(xiàng)目，已順利完成了全部改建和初步測(cè)試，成為長(zhǎng)江流域第一艘純電動(dòng)公務(wù)船。該船搭載0．68Mwh寧德時(shí)代磷酸鐵鋰電池，最大航速21km／h。
不過(guò)，目前電動(dòng)船舶并沒(méi)有大規(guī)模推廣應(yīng)用，主要受制于電動(dòng)船舶相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺失，充電設(shè)施不完善，電網(wǎng)供電能力有限，商業(yè)模式不清晰等問(wèn)題，亟需多方合力。根據(jù)中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì)，截止到5月份，全球運(yùn)營(yíng)中和擬建造電動(dòng)船舶數(shù)量為155艘，包括營(yíng)運(yùn)中的船舶有75艘，擬建造船舶80艘。與歐洲有大約7300艘內(nèi)河船，我國(guó)僅長(zhǎng)江與京杭運(yùn)河內(nèi)船舶總數(shù)就超過(guò)6萬(wàn)艘相比微乎其微。
國(guó)外的電動(dòng)船什么水平？
7月初，阿姆斯特丹舉行了電力和混合動(dòng)力海洋世界博覽會(huì)，可見(jiàn)國(guó)外對(duì)海船行業(yè)儲(chǔ)能技術(shù)的興趣日益濃厚。不少全球領(lǐng)先的電池制造商展示了他們最新的充電技術(shù)，以滿(mǎn)足對(duì)清潔、高效的電力或混合動(dòng)力船舶系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的需求。
德國(guó)電池制造商Akasol AG在展會(huì)上宣布自己在為意大利一家公司開(kāi)發(fā)的新型混合動(dòng)力超級(jí)游艇提供動(dòng)力，該公司的第一代AKASystem 15 OEM電池系統(tǒng)可用于艦艇。據(jù)了解，這艘游艇能以8節(jié)的電力巡航峰值短途航行，并能在鋰離子電池系統(tǒng)的電力驅(qū)動(dòng)下停泊長(zhǎng)達(dá)17小時(shí)。在展會(huì)上，該公司展示了其第二代AKASystem OEM PRC游艇，該游艇比前身多提供33％的能源。
日本電產(chǎn)安薩爾多工業(yè)系統(tǒng)公司（Nidec ASI S．p．A．）也在荷蘭的展會(huì)上推出了船舶行業(yè)的新電池，推動(dòng)其向清潔能源船的方向發(fā)展。該公司的新電池不同于市場(chǎng)上的其他電池，其特殊的構(gòu)造有可能減少每個(gè)電池組的模塊數(shù)量和轉(zhuǎn)換器的數(shù)量。
儲(chǔ)能供應(yīng)商Leclanche的首席執(zhí)行官對(duì)海洋運(yùn)輸?shù)臍怏w排放作出了警告，他說(shuō)：“僅海洋運(yùn)輸就產(chǎn)生了13％的溫室氣體排放，按照目前的預(yù)測(cè)，如果一切照常發(fā)展，到2050年，排放量預(yù)計(jì)至少增加50％。”
據(jù)專(zhuān)業(yè)人士表示，“政府和行業(yè)內(nèi)積極的碳減排目標(biāo)以及降低燃料消耗和維護(hù)成本的需要正在推動(dòng)電池技術(shù)在船舶上的應(yīng)用。電池技術(shù)既可以作為船舶上混合動(dòng)力系統(tǒng)的一部分，也可以完全地為船舶供電。”
短期內(nèi)，使用電池技術(shù)可能在內(nèi)陸和沿海航運(yùn)領(lǐng)域最為有效，包括渡輪、客運(yùn)和小型貨物運(yùn)輸。首先旅程較短，不用擔(dān)心續(xù)航問(wèn)題，其次?？繒r(shí)間和?？奎c(diǎn)都比較固定，可以定期充電。
鋰電池具有存儲(chǔ)大量能量的能力，因而是現(xiàn)代電子產(chǎn)品中最常見(jiàn)的可充電電池類(lèi)型之一。一般來(lái)說(shuō)，此類(lèi)電池由可燃的液體電解質(zhì)和兩個(gè)電極（陽(yáng)極和陰極）組成，其中，陽(yáng)極和陰極被薄膜隔開(kāi)。在電池反復(fù)充放電之后，電極表面會(huì)生長(zhǎng)鋰枝晶，此類(lèi)枝晶會(huì)刺破分隔兩個(gè)電極的薄膜，從而讓陰極與陽(yáng)極接觸，結(jié)果可能會(huì)導(dǎo)致電池短路，最糟的是，可能會(huì)起火。
卡內(nèi)基梅隆大學(xué)化學(xué)系自然科學(xué)教授Krzysztof Matyjaszewski表示：“從理論上看，在鋰電池中采用鋰金屬陽(yáng)極，比采用石墨陽(yáng)極的電池容量大得多，但是，最重要的是要確保電池是安全的。”
目前，電池中使用的是具揮發(fā)性的液體電解質(zhì)，解決方案之一是使用固體陶瓷電解質(zhì)替代，此類(lèi)電解質(zhì)導(dǎo)電性高、不可燃以及具有足夠強(qiáng)大的抗枝晶性。但是，研究人員發(fā)現(xiàn)，陶瓷電解質(zhì)和固體鋰陽(yáng)極之間的接觸不足以存儲(chǔ)和供應(yīng)大多數(shù)電子產(chǎn)品所需的電量。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)化學(xué)系博士生Sipei Li和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)材料科學(xué)和工程系博士生Han Wang制造出一種新型材料，半流體金屬陽(yáng)極，克服了該缺點(diǎn)。
Li和Wang與Matyjaszewski和Jay Whitacre合作，創(chuàng)造出一種雙導(dǎo)電聚合物/碳基復(fù)合材料，鋰微粒在其上面可均勻分布。該碳基復(fù)合材料能夠在室溫下保持流動(dòng)，從而可與固體電解質(zhì)進(jìn)行足夠的接觸。與使用固體電解質(zhì)和傳統(tǒng)鋰箔陽(yáng)極制成的電池相比，通過(guò)將半液態(tài)金屬陽(yáng)極與石榴石固體陶瓷電解質(zhì)結(jié)合，能夠使此類(lèi)電池的能量密度高出10倍，從而使此類(lèi)電池比傳統(tǒng)電池的生命循環(huán)周期也更長(zhǎng)。
研究人員相信他們的方法能夠帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響，例如，可以用來(lái)為電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)高容量電池，以及為需要使用柔性電池的可穿戴設(shè)備制造專(zhuān)用電池。而且，研究人員還認(rèn)為，他們的方法可以用于其他可充電電池系統(tǒng)，如納金屬電池和鉀金屬電池，以及可用于電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)。
