全面解讀新能源汽車電池技術的發展歷程和趨勢
新能源汽車之所以能夠發展起來無外乎各國政府政策的支持,但更大的原因在于人們對于環保意識的覺醒。大家都知道燃油車對于環境的危害是巨大的,尤其在如今燃油車數量不斷增加的情況下,新能源汽車的出現是汽車行業發展的必然。制約新能源汽車發展的最大因素并不是配套設施,設施只要有著資金的投入是可以輕而易舉的完成的。最主要的因數在于新能源汽車發展技術以及人們的認可程度,還有新能源汽車是否真的環保,否則發展這一切也就失去了意義。
市面上流行的新能源汽車主要有以下4種類型,純電動汽車,插電式混合動力,混合動力,氫燃料汽車四大類。對于這幾款車型而言,并不意味著誰淘汰誰的問題,也不存在誰優誰劣的情況,而是在不同的地區市場會有不同的表現。而在中國,出于對環境保護的需要,在各個發展領域都有涉及。但新能源汽車的發展歸根結底在于電池技術的發展,不管是哪種車型都是依賴于電池技術。
純電動汽車最早使用的是鉛酸電池,鉛及其氧化物制成作為電極材料,硫酸溶液作為電解液,這是現在大部分電動自行車的動力源,低成本是其最大的優勢。不過,因為鉛酸電池的能量密度低,從而帶來了體積大、容量小等問題,無法滿足一臺汽車對于自重的控制、驅動力的消耗,乃至每年超過1萬公里行程的使用壽命,所以無法大規模用于量產車上,最終被汽車廠商淘汰。
鎳氫電池與我們的日常生活很近,從早期的隨聲聽到現在的充電牙刷等小型電器很常見,正極為鎳氫的化合物,負極為金屬氫化物,其能量密度、充放電次數相比鉛酸電池有不小的提升,并且電解液不可燃、安全性有保障,制造工藝成熟,比亞迪在造車之前就是全球第二大的鎳氫電池制造商。不過,因為鎳氫電池充電效率一般、有充電有記憶效應、工作電壓較低(無法使用高壓快充),并不適用于汽車的單一動力源,適合輔助發動機工作。后來隨著鋰電池的廣泛推行,逐漸退出了汽車領域
鋰電池正是現階段新能源車的主流選擇,鋰的化合物(錳酸鋰,磷酸鐵鋰等)作為電極材料,石墨作為負極材料,其優勢在于能量密度高、體積小、重量輕、充電效率高。決定鋰電池類型或者說性能的主要因素,在于電池兩極的材料,其中正極的材料是現階段的關鍵,如主流的磷酸鐵鋰、三元材料中的鈷酸鋰、鎳鈷錳等,在容量、成本、低溫充放電、安全性等多個維度上存在差異。不過鋰電池受氣溫的影響比較大,在冬季受氣溫影響續航里程只能達到平時的60、70%,嚴重受限。雖然一直采取相應的措施,但是效果并沒有理想中那么好。
上面是現有電池的種類,下面說一下未來電池的種類會是什么樣的。
氫燃料電池
大家都知道H2+O2燃燒最終得到的水,所以氫氣是非常理想的清潔能源。就氫氣本身來說,燃燒可以釋放大量的能量、低溫表現上佳,最重要的加氫的效率高,加氫只需5分鐘就能行駛超過600公里,并且這個數據還有提升的空間,以上這些都要遠遠優于現有的鋰電池。
關于氫燃料電池車投入方面,日、韓兩國的車企早就開始了研究,如今已經小范圍投入到了各自國家的市場中,如筆者春節前試駕的現代NEXO氫燃料電池車,已經大量用于平昌冬奧會并上市銷售。
現代NEXO氫燃料電池車
而氫氣這么好的能源,為什么不推廣?因為以現在的技術獲取氫氣太難了。大家都學過電解水能得到氫氣,但耗費電能去電解水,然后再燒氫氣最終變成水,這個過程的用電量和損失還不如直接給鋰電池充電,成本太高。而成本、工藝都比較合適的是從石油、天然氣里提取,但量并不大,所以燃料電池車“只聞其名、難以推廣”。
石墨烯電池
對于未來新能源車的動力電池討論,最靠譜、討論最多的要屬石墨烯電池了,將一些專業角度的解讀“翻譯”一下就是:用這種材料結合鋰電池有兩種使用方法,一是用石墨烯的復合材料作為鋰電池的導電劑,二是直接用作負極,效果都是增加鋰電池的活性,從而提升電動車的續航里程、充電速度。
石墨烯-碳化海綿鋰氧電池
石墨烯電池可以有效解決鋰電池的短板,產品特質與新能源車用戶使用直接掛鉤。這種材質的好處確實大,而且韓國三星也已經對外公布掌握了這項技術,但成本是一大瓶頸,石墨烯的獲取不太容易,早期是用于航天領域的一種材料,何時、采用什么方式降低成本,將是這項優質產品“飛入尋常百姓家”的一大難題,各個汽車廠商都還沒有公布在這方面發力的計劃。
石墨烯鋰電池效果圖
簡單來說,純電動車的工作原理是“充電直接用電”,氫燃料電池車則是H2+O2 “燒成”(化學反應)電能和水,相當于“燒氫”來發電。兩種“電池”同樣都是零排放,電動車鋰電池能力密度更小、低溫活性差影響續航,充電速度慢的問題,氫燃料電池完全沒有,而且工作效率要高出不少,這正是氫被稱為優質能源的原因。
固態鋰電池
固態鋰電池顧名思義就是不再使用液態的電解液,采用固態電解質,其能力密度遠超現在的主流的鋰電池,這意味著純電動車型更高、甚至達到節能型汽油車的續航里程,并且充電效率相比現階段也有著質的飛躍,據悉裝備固態電池的電動車,最理想化的充電速度可達到1分鐘增加800公里,這可以說是新能源車的最佳核心部件。
現階段,一些海外的能源、科技企業,以及松下等電池制造商都開始了固態電池的研發,汽車廠商涉及這方面的只有豐田、本田以及日產三大日系車企,這源于日本國家層面的助推。從已經開始研究固態電池的各方計劃來看,預計2020年將在成本、能量密度和生產制造方面有突破性進展。到2030年才能將這項研發成果落地、在新能源車領域廣泛普及,即離我們還有些遠,這也是各大車企發布2025年全球禁售燃油車的應對戰略時,并未提及固態電池的原因。
眾多車企乃至新造車勢力都發布了未來的新能源計劃,更多相關內容敬請期待……