新概念层出不穷 电池革命仍需时日

2015-08-06 20:20:34来源: 中国汽车报
    自从纯电动汽车成为新能源汽车市场焦点之后,其供应链上游的动力电池在研发速度上也在不断加快。续驶能力3000公里且零排放的铝空气电池、一次加注只需3分钟的氢燃料电池、创新电池结构的半固态锂电池、耐低温降污染的晶胶电池等,都是新概念电池研发端的“新宠”。就连专注电子产品的苹果公司,也试图在纯电动汽车的电池研发方面分一杯羹……在业界看来,似乎传统电池面临“革命”的时刻,已随时可期。

  然而,前沿新技术的不断推陈出新,距离推动整个电池行业的革命依旧需要时间的积累。

  ■新概念新在何处

  目前,电池续驶里程不足一直掣肘着电动汽车的发展。各电池厂商纷纷在续驶里程、充电时间、电池成本上大做文章,希望取得巨大飞跃。

  作为“反锂电先锋”的金属空气电池,以其能量密度大、续驶能力强,成为时下业内讨论的焦点之一。铝空气电池放电原理是电池中的金属铝与空气中的氧气和添加的水发生化学反应,使铝变成氧化铝,从而释放出能量。

  这弥补了传统锂电池在能量密度上的缺陷。当前,即便是续驶能力最长的特斯拉,其最高续驶里程只能达到500公里,而据了解,铝空气电池的理论能量密度为8100Wh/Kg,美国铝业公司与以色列Phinergy公司于去年展示了最新的铝空气电池技术,电池重量约为100公斤,储存了可行驶3000公里的足够电量,是特斯拉续驶里程的6倍。

  除上述在金属材料上下工夫的电池厂商,另一方则将目光投注在燃料电池上:一次燃料加注仅3分钟,续驶里程超过500公里,百公里加速10秒……随着丰田Mirai氢燃料电池车在今年上海车展亮相后,氢燃料电池技术成为热议焦点,甚至被认为是汽油燃料的理想替代物。

  该电池的工作原理是氢氧二气经过离子膜发生化学反应释放电能。燃料电池的化学能理论转换效率可达100%,实际效率约为70%,是普通内燃机2倍多。同时,其化学反应的产物只有水没有二氧化碳。

  事实上,在日本政府频繁的支持政策下,丰田、本田公司在氢燃料电池领域已研究了30多年。2014年11月18日,丰田公司把氢燃料电池汽车推向了市场,在业界看来,这“标志着该电池商业化走出了第一步。”

  ■单一优势恐“独木难支”

  经过二十几年的发展,锂离子电池暴露出越来越多的弊端,同样,其他的新型电池也面临着各自的硬伤。

  尽管金属空气电池能量密度较高,但其释放的功率极低。以锌空气电池为例,由于比功率不足,使用锌空气电池的汽车最高时速约为60公里,完成加速和爬坡等动作比较吃力。为了完成电动车正常的驾驶,电动车还必须通过传统的锂电池加以驱动,这决定了空气电池只能以备用电池的身份,出现在电动车上。“在单位时间内,铝的电子产生速度较慢,这是铝空气电池功率较低的原因。这一缺点是由铝本身的特点决定的,很难克服。”一位业内人士分析时说。正因如此,空气电池目前仅限于备用电池、军事作战、救灾等场合使用,范围极为有限。

  在日本大力推广的氢燃料电池,因其易发生爆炸的特点,在生产、运输、储存等环节存在极大安全隐患,科技部863项目新能源汽车专家组成员肖成伟说:“虽然燃料电池技术已很成熟,但加氢站的建设成本极高,目前离真正的产业化有相当长的距离,这是造成其无法推广的主因。”“除非能找到新的快速制氢的方法,否则现场制备氢气的模式是完全不可行的。”一位从事新能源研究的专业人士表示,“从当前技术发展的趋势来看,在快速制氢上还没有真正可以商业化方面的新进展。”

  中国科学院物理研究所研究员黄学杰认为,日本政府及企业大力推广氢燃料电池,并不意味着短时间内氢能源动力汽车能够得到很大的推广,更应该看做是企业及政府在其技术发展水平认知下的一种提前布局,同时也是应对未来能源安全问题的提前规划。

 ■新概念电池难改行业格局

  对于新型电池火热的现状,一位业内人士评价道:“锂电池在性能上的很多不足留给了人们想象空间。另一方面,由于锂电行业的发展太慢,国内一些企业对锂电池信心不足,这些都是新型电池火爆的原因。”

  当下,很多新的电池技术都声称进入了产业化运作阶段,但中国北方车辆研究所动力电池实验室主任王子东认为,电池是否实用,全面而客观的数据指标才是最有力的凭据,单独几项亮眼的实验室数据无法代表产业化能力。根据经验,一种适用电池的新材料从开发到产业化,一般需18至20年的漫长周期。目前除日本氢燃料电池在小规模推广外,尚未看到太多实际性产品,更没有大规模的推广,可谓“雷声大,雨点小”。

  肖成伟认为:“从科学研究的角度讲,我们当然希望从电池的能量密度、循环寿命、开发成本各角度去破解难题。但同时也需要将一些技术进行小规模应用示范,以及基础性、前瞻性研究,否则谈何技术进步。所以新概念层出不穷,并不意味着如今的锂电池市场已‘成熟’到没有希望了。”

  各类新概念电池利弊谈

  ■液流电池

  在去年日内瓦车展上,一款名为Quant e-Sportlimousine的概念车受到广泛关注。该车的核心在于所谓的“液流电池”技术NanoFlowcell系统。

  液流电池具有高效、高能量密度、无污染的优点,原理是将电化学蓄电池以及燃料电池的各方面结合起来。液体电解质存在于两个电池仓中并在电池中流通。系统中心有一层隔膜将两个电解质分隔,但仍能容许电荷流通,从而产生动力。

  据悉,概念新车的最高时速为380公里,百公里加速仅2.8秒,一次充电能跑400~600公里,已获准在欧洲上路。

  ■半固态锂电池

  其原理与现有锂离子电池设计类似,电极单元是细小的锂化合物粒子与液体电解液、导电添加剂混合形成的泥浆,电池使用带正负电的泥浆。两种泥浆分别通过铝集电器和铜集电器收集电子,正负极室之间有一个能传递离子、防止电子传递的隔膜。电池的充放电原理和锂离子电池一样,通过锂离子在正极室与负极室穿梭通过隔膜,电子通过外电路传输完成。

  中国科学院物理研究所研究员李泓认为,现有的锂离子电池采用多层薄膜电极设计,而半固态锂电池采用厚电极,在结构设计上得到了简化,减少了集流体、隔膜所占的电池总重量的比例,在采用正负极材料相同的情况下,可以提高电池的能量密度,工艺成本有望降低。但同时,由于采用厚电极,单层隔膜,无法实现快速充放电,也意味着在动力上没有优势。

  在推广上,半固态锂离子电池的生产工艺与现有锂离子电池的工艺不完全兼容,生产线设计、品质控制、测试标准、量产工艺等都得从头摸索,防止内部短路的隔膜等关键材料还需突破。

  ■石墨烯

  石墨烯是目前已知材料中最薄的一种,仅有一个碳原子厚,也是目前导热效果最好的热导体。

  该材料的电池理论重量是传统锂离子电池的一半,厚度也会大幅缩小,而储电量高出数倍,按照美国伦斯勒理工学院研究人员估算,石墨烯阳极材料比锂离子电池中常用的石墨阳极充放电速度要快10倍,据报道,如用于电动汽车,8分钟就能完成一次充电,续驶里程达1000公里。

  石墨烯已被各大工业国列为重要材料进行深度开发,但相关生产技术直到2010年才相对成熟,至今还处在初级应用阶段。尤其是能让电池体积和重量大幅缩小的单层石墨烯材料,其成品率很低,生产成本则偏高,或许更现实的做法是利用石墨烯的特性提升现有锂电池性能。

关键字:电池  时日

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2015/0806/article_11290.html
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