自1780年，人類發(fā)明了伽尼爾電池以來，經(jīng)過200多年的技術(shù)進(jìn)化和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品、通信設(shè)備以及汽車領(lǐng)域。自1881年，世界上第一輛以鉛酸電池為動(dòng)力的三輪車誕生開始，鎳鎘、鎳氫、鋰離子、燃料等各種材料的電池也隨即誕生。
近年來，純電動(dòng)汽車成為焦點(diǎn)，其最基礎(chǔ)的動(dòng)力電池在研發(fā)速度上也在不斷加快。面對市場上眾多品牌的電動(dòng)汽車車型，單次充電續(xù)駛里程的多少，一直是消費(fèi)者購買電動(dòng)汽車的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)，甚至“里程焦慮”這樣的詞匯也應(yīng)運(yùn)而生。傳統(tǒng)的鋰電池自發(fā)明至今似乎并沒有多大的革新，應(yīng)用在電動(dòng)汽車上受困于續(xù)駛里程短、充電難等而受到詬病。于是，自帶性能光環(huán)的很多新型電池便受到了更多的關(guān)注。
電池概念百花齊放
自特斯拉走紅之后，幾乎每隔一段時(shí)間就會冒出幾篇高科技電池電動(dòng)車的新聞。各種新型電池開始逐漸走入人們的視線。無論是被稱為可以“革傳統(tǒng)鋰電池的命”的空氣電池、氫燃料電池，還是被冠以“智能穿戴設(shè)備救星”之名的固態(tài)鋰電池，業(yè)內(nèi)人士對新型電池的討論可謂沸沸揚(yáng)揚(yáng)。傳統(tǒng)鋰電池是否會被取代、何時(shí)被取代，也成了很多業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點(diǎn)。新的電池革命似乎馬上就要到來了，實(shí)際又如何呢？
各種新概念電池 氫燃料電池：號稱次時(shí)代的電池
先來看看日本研發(fā)的燃料電池，與普通化學(xué)電池相比，燃料電池通過補(bǔ)充燃料續(xù)航。眼下較為常見的是以氫氣作為替代燃料，但氫燃料電池不儲能，所以確切地講，應(yīng)該稱其為“氫發(fā)電裝置”。也就是說，氫燃料電池的充電方式其實(shí)就是像傳統(tǒng)汽車加油一樣，加注壓縮的液態(tài)氫。
燃料電池憑借對環(huán)境幾乎無污染而戴上了光環(huán)。通過電化學(xué)反應(yīng)，而不采用燃燒（汽、柴油）或儲能（蓄電池）的燃料電池只會產(chǎn)生水和熱。如果氫是通過可再生能源（光伏電池板、風(fēng)能發(fā)電等）產(chǎn)生的，那么整個(gè)循環(huán)就徹底不排放任何有害物質(zhì)。氫發(fā)電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，只要把加油站換成加氫站就可以了。
但氫燃料電池并非“天下無敵”，它也有幾個(gè)嚴(yán)峻問題要面對：
一是氫氣的來源。氫氣不像氮?dú)夂脱鯕庠诳諝庵姓急饶敲创螅氲玫綒錃庑柰ㄟ^電解水，但這個(gè)方法并不太經(jīng)濟(jì)，且能量損失極大。電解水耗費(fèi)了電能，雖產(chǎn)生氫氣，但氫氣在發(fā)電過程中還會有能量損失。更重要的是電解水過程的用電是通過燃燒煤獲取，并不環(huán)保，與氫燃料電池“無污染”的優(yōu)點(diǎn)相悖。
二是金屬鉑的稀缺。在氫燃料電池發(fā)電過程中需要用到金屬鉑作為催化劑。這是一種比24K金更貴的金屬，產(chǎn)量少，價(jià)格高，所以大規(guī)模生產(chǎn)氫燃料電池，鉑就是瓶頸之一，且完全沒有規(guī)模化后成本減少的效應(yīng)，反而需求越多越貴。
三是加氫站高昂的建設(shè)成本也決定了其在短時(shí)間內(nèi)難以大規(guī)模鋪開。以日本為例，一座加氫站的建設(shè)費(fèi)用平均在4.6億日元（合人民幣2364萬元）左右，日本政府最高補(bǔ)貼2.8億日元（合人民幣1439萬元），那么除去政府補(bǔ)貼，建造一座加氫站的成本約為人民幣925萬元。而建設(shè)一座普通的加油站僅需200萬元。
“目前燃料電池技術(shù)已經(jīng)可以邁入實(shí)用化階段，但加氫站的建設(shè)成本將成為一道難關(guān)。雖然日本極力推廣氫燃料技術(shù)，但離真正的產(chǎn)業(yè)化還具有相當(dāng)?shù)囊欢尉嚯x。”863計(jì)劃節(jié)能及新能源汽車重大專項(xiàng)總體專家組成員肖成偉如是說。
鋁空氣電池：鋰電池的后備軍
3000公里的旅程，駕駛純電動(dòng)汽車，能源成本或許會大大下降，這在理論上是可行的。目前，美國鋁業(yè)公司與以色列Phinergy公司展示了這樣一種具有超級續(xù)駛能力的電池技術(shù)：100公斤重的鋁空氣電池儲存了可行駛3000公里的足夠電量，這種電池?zé)o需充電，也無需加注任何燃料，只需每月加注清水即可。相比之下，特斯拉ModelS的電池重量超過500公斤，而行駛里程卻不到500公里。
鋁空氣電池并不是傳統(tǒng)意義上用于多次存儲電能的電池，而是一種釋放電能的化學(xué)反應(yīng)裝置。它的工作原理是活性金屬在水中發(fā)生氧化反應(yīng)釋放能量的過程——通過電解液及特殊的電極材料，將釋放的能量以電能的形式輸出。
所謂“只需加注清水”是針對在電池的生命周期內(nèi)而言，其本質(zhì)上消耗的物質(zhì)是鋁，而不是水。金屬鋁通過不斷被氧化生成氫氧化鋁，從而產(chǎn)生電能。100公斤重的鋁空氣電池儲存了可行駛3000公里的足夠電量，行駛完3000公里后，電池的壽命就結(jié)束了，需要重新安裝，即補(bǔ)充金屬鋁。
眼下，除了鋁空氣電池以外，類似的還有鋅空氣電池、鎂空氣電池等，它們的區(qū)別在于根據(jù)不同金屬的活性(在水或空氣中發(fā)生氧化反應(yīng)的劇烈程度)不同，所使用的電解液及其他輔助材料略有不同。鋁空氣電池長時(shí)間沒有得以在電動(dòng)汽車領(lǐng)域推廣應(yīng)用，也是因?yàn)榇嬖谠S多技術(shù)上的短板。
首先，鋁空氣電池儲能能力雖不容小覷，但在能量保存方面卻漏洞百出。每一個(gè)鋁空氣電池在出廠時(shí)背面都貼有封條，電池本身能量保存的奧秘也在于此：在封條完整的情況下，其存放一年后電量仍能保存95%，一旦揭下封條，空氣就會進(jìn)入并引起化學(xué)反應(yīng)，即使不使用電池，3—12周之內(nèi)能量也至少會下降50%，而此時(shí)即使再貼上封條，其中的能量也會持續(xù)快速自消。
其次，雖然目前也有利用鋁空氣電池在汽車上小范圍試用的例子，但動(dòng)能測試結(jié)果卻不盡如人意——鋁空氣電池驅(qū)動(dòng)的汽車最高時(shí)速僅為60公里，由于功率不足，基本的爬坡、加速功能完成得也都比較吃力。
如此說來鋁空氣電池就一無是處嗎？其實(shí)不然，鋁空氣電池恰恰可以彌補(bǔ)鋰電池續(xù)駛不足的尷尬。據(jù)悉，有相關(guān)部門正在研發(fā)讓車輛能夠根據(jù)實(shí)際路況和車速的不同，靈活選用不同的電池組合加以應(yīng)對的系統(tǒng)。如果車輛以每小時(shí)30至40公里的速度行駛在路況較好的路面時(shí)，就使用鋁空氣電池，而碰到爬坡上坎的路面時(shí)，就切換到鋰電池提供電力。
從業(yè)內(nèi)人士觀點(diǎn)來看，目前，在汽車領(lǐng)域，以特斯拉為代表的鋰電池短期應(yīng)該還是主流，未來的發(fā)展方向是在現(xiàn)有電池基礎(chǔ)上，增加燃料電池，形成“燃料電池+蓄電池”的混合車載電源。
液流電池：離實(shí)用化最近的新概念電池
液流電池是普通的化學(xué)電池，它的特點(diǎn)是把正極和負(fù)極電解液單獨(dú)存放，解決了普通化學(xué)電池活性物質(zhì)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(shù)也更多，有非常理想的性能。
液流電池通常包含兩個(gè)容器，其中貯存有液體化學(xué)溶劑，形成兩個(gè)次系統(tǒng)。這兩個(gè)次系統(tǒng)間的連接部分，為發(fā)電區(qū)，以薄膜相隔。這兩種化學(xué)溶劑，流動(dòng)到發(fā)電區(qū)，隔著薄膜，產(chǎn)生離子交換，透過這種方式來進(jìn)行充放電。
而對于液流電池，電動(dòng)汽車廠商nanoFLOWCELL在日內(nèi)瓦國際車展上已經(jīng)展出了其最新一代的電動(dòng)汽車產(chǎn)品QuantF。該車使用nanoFLOWCELL液流電池，最大輸出功率達(dá)到驚人的1075馬力，百公里加速僅2.8秒，極速300km/h以上，續(xù)駛長達(dá)800km。據(jù)悉，該車已經(jīng)獲準(zhǔn)在歐洲上路。
“現(xiàn)在全球都比較重視可再生能源，可是由于可再生能源本身具有不連續(xù)、不穩(wěn)定、不可控的特性，因此需要貯存裝置。目前，液流電池被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的儲能產(chǎn)品之一，因?yàn)樗哂性O(shè)計(jì)靈活、規(guī)模大、壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)。”肖成偉評價(jià)道。
石墨烯電池：充電8分鐘行駛1000km
什么是石墨烯？石墨烯（Graphene）是一種只有一個(gè)碳原子厚度的二維平面薄膜。此前一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，而證實(shí)它可以單獨(dú)存在。兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
西班牙Graphenano公司(一家以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的公司)同西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研究出首例石墨烯聚合材料電池。按照估算，石墨烯電池比鋰電池的充放電速度要快10倍，其儲電量是目前市場最好產(chǎn)品的三倍，用此電池提供電力的電動(dòng)車一次充電最多能行駛1000公里，充電時(shí)間不到8分鐘。另外，其成本比鋰電池低77%，完全在消費(fèi)者承受范圍。
肖成偉對于石墨烯的應(yīng)用前景持肯定態(tài)度，“石墨烯的特點(diǎn)是導(dǎo)電速度快，導(dǎo)電性能好。目前很多研究都在實(shí)驗(yàn)，具體哪一塊很難說，不過縮短充電時(shí)間等是肯定的。”
毫無疑問，在如今政府新一輪新能源汽車優(yōu)惠政策的影響下，新能源車的普及也只是時(shí)間問題。而與之應(yīng)用息息相關(guān)的電池行業(yè)，其發(fā)展也會隨之相應(yīng)提速。各式新型電池層出不窮，從突破技術(shù)瓶頸到規(guī)?；瘧?yīng)用也會在不久的將來成為現(xiàn)實(shí)。
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