對(duì)國(guó)外的新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)文獻(xiàn)的翻譯工作，作為學(xué)術(shù)研究和行業(yè)研究的重要組成部分，關(guān)于推動(dòng)國(guó)內(nèi)相關(guān)事業(yè)的發(fā)展，溝通中外學(xué)術(shù)交流，具有積極用途。本文對(duì)各種化學(xué)電池和燃料動(dòng)力電池的相關(guān)性能比較，使我們對(duì)各種電池在長(zhǎng)距離、低成本、高利用率的交通場(chǎng)景中的應(yīng)用及優(yōu)化選擇有了進(jìn)一步的了解，關(guān)于促進(jìn)新能源電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步具有指導(dǎo)用途。

【綜述】

當(dāng)前的電動(dòng)汽車幾乎完全采用鋰離子電池供應(yīng)動(dòng)力，但電動(dòng)汽車在全球汽車市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位尚有很長(zhǎng)的路要走。

除政策支持外，電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用還要高性能和低成本的儲(chǔ)能技術(shù)，這些儲(chǔ)能技術(shù)不僅包括電池，還包括各種其他電化學(xué)裝置。在此，我們對(duì)多種電池和在商業(yè)方面最具發(fā)展?jié)摿Φ臍淙剂蟿?dòng)力電池進(jìn)行綜合評(píng)估。

本文將目前鋰離子動(dòng)力電動(dòng)汽車分三個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景（或者說(shuō)是市場(chǎng)）進(jìn)行討論，即“長(zhǎng)距離交通”場(chǎng)景、“低成本交通”場(chǎng)景和“高利用率交通”場(chǎng)景，而鋰離子電池在此三個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)都不盡人意。要想改善電動(dòng)汽車在此三個(gè)場(chǎng)景中的表現(xiàn)，這些電動(dòng)汽車必須提升的技術(shù)特性包括比能量、成本、安全性和電網(wǎng)兼容性。我們將就這些性能方面有著不同側(cè)重或組合的6大儲(chǔ)能及能源轉(zhuǎn)換技術(shù)在以上每個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景的情況進(jìn)行比較分析或單獨(dú)評(píng)估。本文的其余部分簡(jiǎn)要討論了這些清潔能源技術(shù)的技術(shù)狀況，以強(qiáng)調(diào)尚需攻克的技術(shù)壁壘。

【正文】

雖然早在19世紀(jì)初就有了電動(dòng)汽車，但電動(dòng)汽車（EV）的普及是近10年才開(kāi)始。全球電動(dòng)汽車的銷量從2010年的不到10,000輛逐步上升到2016年的774,000輛，累計(jì)超過(guò)200萬(wàn)輛。汽車電汽化現(xiàn)在被視為幾乎所有道路運(yùn)輸?shù)闹匾吞蓟緩健Ｒ驅(qū)Τ鞘锌諝赓|(zhì)量的擔(dān)憂，一些國(guó)家提出了限制銷售內(nèi)燃機(jī)車輛（ICEV）和有電動(dòng)汽車來(lái)替代內(nèi)燃機(jī)車的計(jì)劃。

從技術(shù)角度來(lái)看，電動(dòng)汽車的成功可以歸因于電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步。鋰離子電池單體電芯的比能從20世紀(jì)90年代的約90wh/kgcell上升到今天超過(guò)250wh/kgcell，這就使各種型號(hào)的汽車在標(biāo)準(zhǔn)工況下行駛更遠(yuǎn)的距離。

與此同時(shí)，鋰離子電池組的成本已從超過(guò)1,000美元/kwh降至約250美元/kwh，使電動(dòng)汽車價(jià)格降至消費(fèi)者接受的水平。

圖1揭示了在遵照國(guó)際能源署（IEA）為將全球平均溫升限制在1.75℃之內(nèi)所提路徑方法前提下電動(dòng)汽車?yán)塾?jì)銷售及其市場(chǎng)份額的變化情況。這個(gè)被稱為攝氏2度情景（B2DS），要求到2060年，累計(jì)電動(dòng)汽車銷售額為18億，電動(dòng)汽車市場(chǎng)份額為86％。圖1中左上角的小圖表所示，2016年電動(dòng)汽車?yán)塾?jì)銷量約為200萬(wàn)輛，市場(chǎng)份額為0.2％，這表示當(dāng)前全球電動(dòng)汽車的使用還在初級(jí)階段，要達(dá)到2060年的目標(biāo)仍有極大的發(fā)展空間。

到目前為止，電動(dòng)汽車的應(yīng)用受政策措施的很大影響，例如財(cái)政激勵(lì)措施、銷售授權(quán)和免費(fèi)充電等。雖然這些政策可能會(huì)刺激電動(dòng)汽車的擴(kuò)大使用，但在財(cái)政上不可持續(xù)性或許不可能將電動(dòng)汽車的使用擴(kuò)大到達(dá)到圖1中規(guī)定的市場(chǎng)份額所需的水平。此外，鋰電電動(dòng)汽車由于其儲(chǔ)能能力、安全性和可獲得成本的這些固有的特性限制，不確定是否適用于任何汽車市場(chǎng)。

因此，能夠?yàn)殡妱?dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)動(dòng)力的技術(shù)是當(dāng)前的重要關(guān)注點(diǎn)。

在此，我們?cè)u(píng)估了電池和氫燃料動(dòng)力電池在改善電動(dòng)汽車性能并降低電動(dòng)汽車的成本方面的發(fā)展?jié)摿?。我們首先?lái)全景描述一下鋰離子電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)很好的市場(chǎng)滲透的三個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景的情況，討論若要電動(dòng)汽車在這些市場(chǎng)場(chǎng)景中取得成功要在能源技術(shù)方面進(jìn)行提升的有什么。

然后，我們比較和評(píng)估了五種電池的屬性，這五種電池通常被認(rèn)為有望替代鋰離子電池在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用。最后，我們供應(yīng)了除氫燃料動(dòng)力電池之外的每個(gè)電池的簡(jiǎn)要狀態(tài)評(píng)估，并討論了這些電池能滿足新興電動(dòng)汽車市場(chǎng)技術(shù)需求的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

新興電動(dòng)汽車市場(chǎng)中的儲(chǔ)能技術(shù)壁壘

下面，我們就三個(gè)不同應(yīng)用場(chǎng)景（即“長(zhǎng)距離交通”、“低成本交通”和“高利用率交通”）對(duì)所需提升的儲(chǔ)能技術(shù)的技術(shù)特性作一個(gè)概述。

“長(zhǎng)距離交通”場(chǎng)景。行駛距離短或“行程焦慮”的技術(shù)問(wèn)題常被看作是消費(fèi)者不選擇電動(dòng)汽車的因素。也許是因?yàn)榕c其他發(fā)達(dá)地區(qū)相比，美國(guó)人的旅行距離要求更長(zhǎng)而對(duì)公共交通的依賴程度更低，在美國(guó)，人們尤其希望電動(dòng)汽車有更長(zhǎng)的行駛里程。2016年的調(diào)查中，超過(guò)一半（54％）的美國(guó)消費(fèi)者考慮購(gòu)買電動(dòng)汽車的行駛范圍至少175英里（282公里），超過(guò)四分之一的美國(guó)消費(fèi)者（29％）要行駛范圍375英里（604公里）的電動(dòng)汽車。

盡管電動(dòng)汽車能夠?qū)⑷剂铣杀窘档腿种唬?2％的受訪者依然不能接受在汽油動(dòng)力車的基礎(chǔ)上多花費(fèi)5000美元去購(gòu)買電動(dòng)汽車，而29％的受訪者甚至連1000美金的額外費(fèi)用也不愿支付。

在圖2中，是與普通燃油車進(jìn)行比較，當(dāng)前美國(guó)市場(chǎng)上銷售的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程及其高出同型號(hào)燃油車的價(jià)格（一下簡(jiǎn)稱“溢價(jià)”）的對(duì)照比較情況。值得注意的是，每輛電動(dòng)汽車的成本至少比其相同車型燃油車的平均車價(jià)高出5000美元。

雖然有其他因素像如低產(chǎn)量和額外的汽車特性，會(huì)提升電動(dòng)汽車的成本，但就電動(dòng)汽車行駛里程和價(jià)格溢價(jià)之間的正相關(guān)性可見(jiàn)，電池的成本為車輛成本新增的一大因素。對(duì)一款針對(duì)美國(guó)消費(fèi)者的里程滿足購(gòu)買意愿車型（延續(xù)上文提到的消費(fèi)者）調(diào)查繪制了一個(gè)需求邊界曲線圖標(biāo)，圖表顯示52%-54％的美國(guó)消費(fèi)者要求價(jià)格溢價(jià)和行駛范圍低于上限要求的電動(dòng)汽車，29％的美國(guó)消費(fèi)者要求電動(dòng)汽車的價(jià)格溢價(jià)和行駛范圍低于要求下限。

該圖表明，假如沒(méi)有政府激勵(lì)措施，目前可用的電動(dòng)汽車甚至不能滿足50％美國(guó)消費(fèi)者的需求。

近來(lái)的預(yù)測(cè)顯示，由于生產(chǎn)效率的進(jìn)一步提高，到2030年或2040年，鋰離子電池組模塊的成本將降至接近70美元/千瓦時(shí)。假如調(diào)整2017年的電動(dòng)汽車價(jià)格以反映這一趨勢(shì)，三款車型（雪佛蘭Bolt、現(xiàn)代Ioniq電動(dòng)汽車和特斯拉Model3）超過(guò)了美國(guó)50％的消費(fèi)者需求門檻。然而，能反映這一價(jià)格趨勢(shì)的的電動(dòng)汽車仍遠(yuǎn)無(wú)法滿足近30％的美國(guó)消費(fèi)者的要求，甚至可能也無(wú)法滿足其他的高度依賴汽車的國(guó)家的消費(fèi)者。即使車輛價(jià)格中不考慮儲(chǔ)能成本的因素，目前也沒(méi)有一款電動(dòng)汽車能滿足這30％的美國(guó)消費(fèi)者關(guān)于行駛里程的需求。

因此，在不新增成本的情況下顯著改善電動(dòng)汽車的行駛范圍似乎是滿足“長(zhǎng)距離交通”市場(chǎng)需求的唯一方式。這就要通過(guò)新增車輛存儲(chǔ)的能量密度（Wh/kg）來(lái)減輕車輛重量。然而，就鋰電子電池來(lái)說(shuō)，顯著新增比能要金屬鋰陽(yáng)極材料、提升電池電壓或減少安全組件等措施，所有這些出于對(duì)安全性的權(quán)衡是不可接受的。固態(tài)鋰離子電池是安全引入鋰金屬和高壓材料的最有可能的途徑之一;然而，迄今為止報(bào)道的電池，要么是具有不可接受的低面積容量（小于1mAh/cm2，這意味著比最先進(jìn)的鋰離子電池更低的比能量），要么是不可接受的低循環(huán)壽命（20個(gè)循環(huán)或更少）。

即使是具有鋰金屬陽(yáng)極的高度優(yōu)化的鋰離子電池實(shí)際上可能也不會(huì)超過(guò)350Wh/lcell。因此，要采用具有更高比能、更低成本和更安全的替代電池的化學(xué)機(jī)制和儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程運(yùn)輸市場(chǎng)的電動(dòng)化。

“低成本交通”場(chǎng)景。電動(dòng)汽車的價(jià)格與其對(duì)應(yīng)的行駛里程，可能會(huì)成為車主越來(lái)越關(guān)心的問(wèn)題。圖3顯示通過(guò)數(shù)據(jù)擬合手段對(duì)一組特定國(guó)家的汽車（包括電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)燃油機(jī)汽車）注冊(cè)數(shù)據(jù)所作的車型選擇非線性分布分析結(jié)果。關(guān)于每新增一公里行駛里程，美國(guó)消費(fèi)者愿意支付額外的21美元，而新興國(guó)家（如我國(guó)、印度、巴西和印度尼西亞）的消費(fèi)者平均只愿意多支付8.4美元。

圖3揭示了與各個(gè)國(guó)家汽車價(jià)格對(duì)應(yīng)的羅吉特模型消極因素，該因素衡量?jī)r(jià)格上漲而降低消費(fèi)者購(gòu)買汽車的意愿程度的指標(biāo)。整體而言，新興國(guó)家的消極因素明顯高于美國(guó)。我國(guó)則是一個(gè)例外，數(shù)據(jù)表明更高的價(jià)格卻驚人的新增了汽車購(gòu)買的可能性。盡管如此，包括兩輪車和三輪車在內(nèi)的更便宜、更小巧的低速電動(dòng)汽車在我國(guó)的高銷量，與傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(截至2016年，總銷量超過(guò)2億輛)相比，表明我國(guó)與印度、巴西和印尼相同，對(duì)低成本交通工具有著強(qiáng)烈的市場(chǎng)需求。

我國(guó)等新興市場(chǎng)的電動(dòng)汽車價(jià)格溢價(jià)與發(fā)達(dá)國(guó)家相似。隨著新興國(guó)家的工業(yè)化發(fā)展，低成本的交通運(yùn)輸市場(chǎng)預(yù)計(jì)將會(huì)迅速成長(zhǎng)，但目前鋰動(dòng)力電動(dòng)汽車明顯不足。假如將圖2中緊湊型和超小型汽車的電池能量與車輛行駛距離繪制成圖，其斜率為0.19kWh/km(表示每新增一公里里程的能耗)。關(guān)于新興國(guó)家，平均支付意愿(如上所述為8.4美元/km)除以0.19kWh/km，以獲得大約45美元/kWh的儲(chǔ)能成本目標(biāo)。因此，開(kāi)發(fā)一種成本低于45美元/kwh的電化學(xué)儲(chǔ)存技術(shù)是在新興市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸電汽化的一個(gè)有價(jià)值的方向。

換句話說(shuō)，成本低于45美元/Kwh的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)關(guān)于新興國(guó)家實(shí)現(xiàn)交通電汽化發(fā)展目標(biāo)是可行的，或者說(shuō)，與鋰離子電池價(jià)格相當(dāng)?shù)饶芰扛叩钠渌夹g(shù)也是可行的。

“高利用率交通”場(chǎng)景。與消費(fèi)型的車輛相比，那些利用率更高的汽車（即投入使用的時(shí)間占比高）是導(dǎo)致氣候變化和空氣質(zhì)量變差的一個(gè)重要因素。例如，2015年貨運(yùn)車輛占全球運(yùn)輸業(yè)二氧化碳排放量的三分之一左右，隨著乘用車變得更加省油，這一比例在工業(yè)化國(guó)家中會(huì)進(jìn)一步新增。因此，將公共交通和貨物運(yùn)輸從傳統(tǒng)車輛過(guò)渡到高利用率電動(dòng)汽車這一挑戰(zhàn)亟待解決。

高利用率對(duì)電動(dòng)汽車中使用的儲(chǔ)能技術(shù)的有更高的要求。首先，快速充電（例如，充電時(shí)長(zhǎng)小于一小時(shí)）成為更重要的考慮因素，車輛充電所需的時(shí)間不應(yīng)該對(duì)車輛的運(yùn)行時(shí)間表造成影響。多個(gè)國(guó)家已經(jīng)部署能夠?qū)崿F(xiàn)快充的鋰離子電池電動(dòng)巴士，并在公交站點(diǎn)專門為電動(dòng)巴士設(shè)計(jì)了快充裝置；

然而，這可能導(dǎo)致電池的衰減和安全問(wèn)題的新增。多輛電動(dòng)汽車的同時(shí)快速充電也會(huì)對(duì)電網(wǎng)的部件造成過(guò)大的壓力，這就要昂貴的技術(shù)升級(jí)。因此，高利用率電動(dòng)汽車與電網(wǎng)之間平穩(wěn)的實(shí)現(xiàn)快速充電，是一個(gè)要考慮的重要方面。

許多高利用率車輛（例如卡車，公共汽車和火車）的另一個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)是其相關(guān)于個(gè)人運(yùn)輸車輛的較大重量。鋰離子電池組必須按比例調(diào)整到更大的尺寸，保證這些車輛行駛等同的距離。但較大電池組的低表面與體積比意味著散熱較慢，往往也會(huì)導(dǎo)致電池的衰減和安全問(wèn)題新增，甚至要使用昂貴或有毒化學(xué)品的復(fù)雜冷卻技術(shù)。因此，具有更高比能量和安全性更高的能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換技術(shù)（例如，非易燃材料）關(guān)于高利用率的電動(dòng)汽車尤其具有吸引力。

多種可替代電化學(xué)技術(shù)評(píng)估

前一節(jié)指出，關(guān)于續(xù)航里程更長(zhǎng)、成本更低的電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，新增比能或降低儲(chǔ)能成本(與鋰離子電池相比)至關(guān)重要，而快速充電、電網(wǎng)兼容性和安全運(yùn)行關(guān)于高利用率的電動(dòng)汽車至關(guān)重要。當(dāng)然，鋰離子電池表現(xiàn)出其他儲(chǔ)能手段無(wú)法比擬的特性。

圖4所示，比較了除鋰離子電池外，其它幾種被認(rèn)為可用于電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能技術(shù)的相關(guān)特點(diǎn)的比較。其中安全評(píng)級(jí)由電解質(zhì)的類型(易燃或非易燃)、熱失控風(fēng)險(xiǎn)機(jī)率和有毒或腐蝕性物質(zhì)泄漏機(jī)率等決定。對(duì)每個(gè)電池的快速充電能力是根據(jù)其功率密度進(jìn)行半定量評(píng)定，而對(duì)每個(gè)電池的電網(wǎng)兼容性是根據(jù)其能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行半定量評(píng)定。由于能夠在不中斷電網(wǎng)傳輸?shù)那闆r下實(shí)現(xiàn)氫氣的快速傳輸，則氫燃料動(dòng)力電池具有最高的快速充電和電網(wǎng)兼容性。

要注意的是，圖4中氫氣儲(chǔ)能的特點(diǎn)(比能、能量密度和儲(chǔ)能成本)不應(yīng)該忽略掉氫燃料動(dòng)力電池系統(tǒng)的質(zhì)量、體積和成本等因素而直接與其他各種化學(xué)電池的能量特性進(jìn)行比較。與其他普通電池不同的是，氫燃料動(dòng)力電池組合的總能量(即儲(chǔ)存的氫氣總量)可以通過(guò)燃料動(dòng)力電池的總功率單獨(dú)新增。由于這種根本差別，氫燃料動(dòng)力電池不包括在下面的分析中；氫燃料動(dòng)力電池與鋰離子電池的評(píng)估在一個(gè)獨(dú)立的部分中。

圖4中電池的某些衡量指標(biāo)（即比能、能量密度和儲(chǔ)能成本）來(lái)近似計(jì)算車輛里程(RV)、車輛總成本(CV,T)和電池組體積(VolB)，以便得到更實(shí)際的評(píng)估數(shù)據(jù)。每一個(gè)指標(biāo)都是電池組能量(EB)的函數(shù)，分別由式(1)、式(2)、式(3)計(jì)算：

其中ECEV（Wh/kmkg）是車輛的能量消耗效率，MV（kg）和CV（US$）分別是車輛質(zhì)量和車輛成本（不包括電池在內(nèi)），CB（US$/kWh）代表電池組成本，SEBC（Wh/kg）和EDBC（Wh/l）分別代表電池的重量比能量和能量密度，km，B和kvol，B（無(wú)單位）分別是電池組質(zhì)量費(fèi)用系數(shù)和體積費(fèi)用系數(shù)。分配給每個(gè)電池的費(fèi)用系數(shù)(見(jiàn)附表2)反映了每種電池運(yùn)行所需的安全設(shè)備或空氣管理設(shè)備(只針對(duì)金屬空氣電池)的配套水平。

小型車輛（常見(jiàn)于要低成本車輛市場(chǎng)）、中型車輛（常見(jiàn)于要長(zhǎng)距離車輛市場(chǎng)）和半掛車（代表高利用率市場(chǎng)）的結(jié)果分別列在圖5的5a.b、5c.d和5e.f中。三種車型的數(shù)據(jù)在附表1、2和參考文獻(xiàn)中可見(jiàn)。車輛成本作為行駛里程的函數(shù)，如圖5a,c,e所示，直到每輛車的電池容量超過(guò)特定的空間限制。由于空間限制，鉛酸電池（Pb-acid）和鎳氫電池（Ni-MH）電池的低能量密度明顯被看作是一個(gè)很大的缺點(diǎn)。相較于鋰離子電池，成本較低的鋰硫（Li-S）電池、鋰空氣（Li-air）電池和鋅空氣（Zn-air）電池在實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)續(xù)航里程的潛力是顯而易見(jiàn)的。

圖5b、d、f所示為新增行駛距離(US$/km)的成本，這可以與消費(fèi)者愿意為新增行駛距離付費(fèi)的調(diào)查結(jié)果相比較。從圖5b可以看出，鋰硫電池、鋰空氣電池和鋅空氣電池可以使微型汽車新增額外續(xù)航里程的成本大大接近于圖3所示的新興國(guó)家的平均支付意愿。

圖6顯示了使用圖4中每個(gè)電池的能量和成本指標(biāo)的上、下界限值，可以得出的中型汽車成本和里程組合的大致范圍。從這里可以看出，鋅空氣電池具有適合最長(zhǎng)距離交通場(chǎng)景的應(yīng)用潛力，而鋰硫電池則具有適合最低成本交通場(chǎng)景的應(yīng)用潛力。但這種評(píng)估并未規(guī)定每塊電池是否有足夠的功率、日歷壽命、能量效率和自放電率在電動(dòng)汽車中正常運(yùn)行。因此，圖5和圖6僅展示了每塊電池化學(xué)成分關(guān)于降低成本和新增行駛里程的基本潛力。下面將詳細(xì)討論在消費(fèi)者、商業(yè)和公共交通應(yīng)用中執(zhí)行這些技術(shù)的實(shí)用性的細(xì)節(jié)。

各種商用可充式電池

我們首先看兩種目前商用的可充電電池，并將其作為鋰離子電池的替代品進(jìn)行評(píng)估。

鉛酸電池。這是目前世界成本最低和應(yīng)用最廣泛的充電電池。但是，由于它們的比能和能量密度較低，因此關(guān)于低行駛里程電動(dòng)汽車而言，它們僅比鋰離子電池劃算(圖5)。此外，它們的體積大和循環(huán)壽命、比功率和能源效率低，往往使它們?cè)谛滦偷统杀竞偷退僮孕熊嚭蛙囕v的選擇中，不如鋰離子電池更受到青睞。然而，鉛酸電池的一些優(yōu)點(diǎn)也使它具有吸引力，這就是它們?cè)谲囕v電氣化過(guò)程中的輔助用途。除了低成本外，還包括低溫操作（低至-40°C）時(shí)更好的充電安全性和較低的自放電率。

因此，目前對(duì)鉛酸電池的大部分應(yīng)用是再生制動(dòng)充電和混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)輔助。這要電池能夠在部分充電狀態(tài)下存在多達(dá)數(shù)十萬(wàn)個(gè)高功率“微循環(huán)”。當(dāng)傳統(tǒng)的鉛酸電池在高放電率時(shí)的，一個(gè)重要問(wèn)題是負(fù)極上的絕緣硫酸鉛晶體的不可逆生長(zhǎng)，這將對(duì)其快充能力造成損傷?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)多種碳添加劑可以通過(guò)改善導(dǎo)電性、減緩硫酸鹽晶體的上升速度以及引入電容行為來(lái)緩解高充電和放電速率這一問(wèn)題。這些“鉛碳”電池在低成本混合動(dòng)力電動(dòng)汽車概念中展現(xiàn)出了前景，隨著動(dòng)力的進(jìn)一步改善，關(guān)于具有雙能源的全電動(dòng)低成本車輛可能具有吸引力。

鎳氫電池。1989年，商業(yè)推廣的鎳氫電池是最常見(jiàn)的鎳基電池，并且在大多數(shù)指標(biāo)中比鉛酸電池的性能更好。直到現(xiàn)在，它們還是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的常規(guī)選擇，因此，該技術(shù)已經(jīng)在再生制動(dòng)充電和全電動(dòng)制動(dòng)方面得到了很好的優(yōu)化。然而，鎳和氫化物的儲(chǔ)存金屬成本較高，使它們比鉛酸電池更昂貴；事實(shí)上，在鋰離子電池成本降低之后，它們現(xiàn)在甚至比鋰離子電池更貴。

由于鋰離子電池具有更高的比能量、能量密度和循環(huán)壽命，而鉛酸電池成本更低，鎳氫電池似乎在新興的電動(dòng)汽車市場(chǎng)就毫無(wú)優(yōu)勢(shì)存在。然而，鎳氫電池中使用的含水電解質(zhì)和低活性金屬使得它們本身更安全，并且它們良好的耐低溫性可以使它們?cè)诤錃夂蛳掠糜谲囕v啟動(dòng)。它們的安全性使他們可以被放置在更加有沖擊力的區(qū)域，比如車輛前端，這關(guān)于鋰離子電池來(lái)說(shuō)是危險(xiǎn)的。鎳氫電池替代結(jié)構(gòu)部件和能量吸收材料被認(rèn)為是一種降低車輛重量的創(chuàng)新性方法，從而使電動(dòng)汽車可以行駛更長(zhǎng)的里程。

其他幾種新興充電電池

下面我們來(lái)看看三種新興且被普遍認(rèn)為可用于電動(dòng)汽車儲(chǔ)能應(yīng)用的電池技術(shù)。

鋰硫電池。與典型的鋰離子嵌入式陰極相比，硫陰極的成本低得多，這些電池的理論鋰容量高出4.5倍，因此越來(lái)越受到人們的關(guān)注。不幸的是，硫陰極的許多特性對(duì)該電池的良好性能構(gòu)成了障礙，像如循環(huán)時(shí)的體積變化、硫和硫化鋰的低導(dǎo)電性，以及普通鋰離子電池電解質(zhì)中硫的相對(duì)高溶解度。這些問(wèn)題導(dǎo)致低循環(huán)壽命和高自放電率，這都會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能技術(shù)造成困擾。鋰硫電池還必須包含一個(gè)鋰金屬陽(yáng)極，以供應(yīng)相關(guān)于鋰離子電池更可觀的比能量。鋰金屬陽(yáng)極也存在一些問(wèn)題，包括循環(huán)壽命短、快速充電能力差(由于鋰枝晶形成和不可逆電解液消耗)、高自放電(由于多余的副反應(yīng))以及制造和運(yùn)行中越來(lái)越多的安全問(wèn)題。

為了解決上述困難，科研人員研究了含有與多孔碳或?qū)щ娋酆衔铩叭萜鳌苯豢椩谝黄鸬牧虻碾姌O，它可以抑制硫的溶解，同時(shí)適應(yīng)體積膨脹，提高導(dǎo)電性，并在充電和放電過(guò)程中允許可逆的鋰離子遷移。有關(guān)鋰金屬陽(yáng)極，減少枝晶形成和減少副反應(yīng)的大多數(shù)方法是用鈍化層、涂層、隔膜或固態(tài)電解質(zhì)保護(hù)陽(yáng)極。這些技術(shù)的發(fā)展將促進(jìn)更高的循環(huán)壽命和更高的容許電流，而不會(huì)造成比能和能量密度的損失，這些是很難達(dá)到的，因?yàn)槠駷橹刮墨I(xiàn)中的示范電池在實(shí)際電荷率和比能下都無(wú)法運(yùn)行超過(guò)500個(gè)循環(huán)。

鋰硫電池的能實(shí)現(xiàn)的最大實(shí)際比能600wh/kg和估計(jì)最低成本為36US$/kWh，關(guān)于鋰離子電池來(lái)說(shuō)是一個(gè)相當(dāng)大的進(jìn)步，這關(guān)于上文討論的三種新興電動(dòng)汽車市場(chǎng)就具備了吸引力。除非它的循環(huán)壽命得到實(shí)質(zhì)性的改善，否則鋰硫電池關(guān)于高利用率的電動(dòng)汽車并非是好的選擇。另一方面，這關(guān)于偶爾進(jìn)行長(zhǎng)途行駛的消費(fèi)型車輛可能是實(shí)用的，因?yàn)殡姵睾苌偻耆烹娧h(huán)。很少有司機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)途行駛（超過(guò)200km）而導(dǎo)致中等型號(hào)的鋰硫電池深度放電；因此，頻繁長(zhǎng)途駕駛導(dǎo)致電池退化的顧慮應(yīng)該比傳統(tǒng)的里程焦慮(即無(wú)法長(zhǎng)距離駕駛)要少得多。因此，在消費(fèi)型電動(dòng)汽車中鋰硫電池可作為鋰離子電池的有力替代者，因?yàn)樗某杀据^低，并降低了行駛里程的顧慮（圖5）。

鋰空氣電池。這類電池使用大氣中氧來(lái)出現(xiàn)電能，在比能和能量密度方面相較于鋰硫電池有了進(jìn)一步的改善。然而，它們的循環(huán)壽命卻低很多，最多只有大概100個(gè)循環(huán)。改善它的循環(huán)壽命卻遇到了很多問(wèn)題，例如鋰放電時(shí)的空氣電極堵塞，高壓充電引起的催化劑降解，空氣中水分引起的鋰金屬副反應(yīng)和電解質(zhì)不可逆的分解等問(wèn)題。此外，盡管關(guān)于鋰空氣電池的比功率和能量密度無(wú)法精確的評(píng)估，但由于空氣電極的氧動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定，這些指標(biāo)較先前討論的電池可能更糟糕。

此外，算上為保護(hù)電池免受空氣中二氧化碳和水份破壞的裝置，達(dá)到在汽車上應(yīng)用水平的鋰空氣電池的最大能量密度為384wh/lsystem。這就限制了鋰空氣電池（相較于鋰離子電池）的長(zhǎng)途行駛能力（圖6）。另一方面，此類電池的低成本和高比能仍對(duì)長(zhǎng)距離和低成本電動(dòng)汽車具有吸引力（圖5）。然而，與鋰硫電池不同，鋰空氣電池在實(shí)際操作中要附加一個(gè)大功率電池，因?yàn)樗鼈兊谋裙β士赡芎懿睢?/p>

鋅空氣電池。鋅空氣電池盡管比鋰空氣電池比能低，但由于其技術(shù)更先進(jìn)和更高的實(shí)際能量密度，因此更加有可能在未來(lái)的電動(dòng)汽車中使用。在鋰離子電池出現(xiàn)之前的幾十年中，可充電的鋅空氣電池被看作是實(shí)現(xiàn)車輛電氣化的選擇。與鋰空氣電池相似，它們較差的比功率和能效使它們無(wú)法成為電動(dòng)汽車的重要?jiǎng)幽苓x擇；然而，應(yīng)用在雙電池的配置中，它們可能會(huì)很有前途。它們可以與高功率的鉛碳電池相結(jié)合生產(chǎn)低成本的電動(dòng)汽車，雖然它們要更長(zhǎng)的循環(huán)壽命以延長(zhǎng)汽車的使用壽命?；蛘?，它們可以作為重要由鋰離子電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車的增程器來(lái)提升電動(dòng)汽車的行駛距離；假如司機(jī)只是偶爾要長(zhǎng)途行駛，就使得它們的短壽命和低效率相對(duì)不那么重要了。盡管雙電池概念會(huì)新增成本和技術(shù)復(fù)雜性，但就鋅空氣電池自身固有的安全性使其非常適合雙電池配置，因?yàn)椋ㄏ袢珂嚉潆姵兀┸噧?nèi)的物理空間限制較少。

這些成功的應(yīng)用是基于可充電的鋅空氣電池更加耐用。提高含氧官能團(tuán)催化劑和鋅電極的循環(huán)穩(wěn)定性，同時(shí)保持較高的比能和能量密度，這有利于提高電池的使用壽命。減少或消除空氣電極中的碳也能改善鋅空氣電池的壽命，因?yàn)樘蓟諝怆姌O即使在電池處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)也會(huì)受到堿性電解質(zhì)的腐蝕?？諝庵卸趸荚诳諝怆姌O孔隙中形成碳酸鹽，以及電解液的蒸發(fā)，這是鋅空氣電池長(zhǎng)期使用面對(duì)的一大問(wèn)題。關(guān)于增程器的應(yīng)用，可以使用空氣過(guò)濾器和可重新密封的通風(fēng)口來(lái)解決這些問(wèn)題。

氫燃料動(dòng)力電池

氫是一種能量載體，可以從低碳能源中出現(xiàn)，并相關(guān)于大多數(shù)電池以高比能儲(chǔ)存（圖4）。因此，在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，氫燃料動(dòng)力電池其脫碳的能力而被定為選擇目標(biāo)。2013年至2014年，現(xiàn)代、豐田和戴姆勒先后推出了第一款大規(guī)模生產(chǎn)的燃料動(dòng)力電池電動(dòng)汽車(fcev)，該車采用聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料動(dòng)力電池。這些車輛相關(guān)于當(dāng)前的純電電動(dòng)汽車（BEV）的優(yōu)點(diǎn)包括行駛里程更長(zhǎng)（超過(guò)500公里）和加油更快（重新填充氫氣儲(chǔ)罐3-5分鐘）。但燃料動(dòng)力電池電動(dòng)汽車的總體部署僅占2016年電動(dòng)汽車總銷售額的一小部分（低于1萬(wàn)輛或少于0.5％），他們必須克服一些障礙，才能更好的被市場(chǎng)接納。

燃料動(dòng)力電池電動(dòng)汽車購(gòu)買價(jià)格高于傳統(tǒng)汽車，是因?yàn)樗鼈兣c純電電動(dòng)汽車相似，使用電化學(xué)電源。儲(chǔ)氫罐和燃料動(dòng)力電池系統(tǒng)使用的貴金屬和設(shè)備，如鉑、碳纖維、增濕器和熱交換器，使其造價(jià)升高。隨著制造量的新增，幾乎所有這些部件的成本都將大幅下降，但鉑族金屬(PGM)催化劑因其稀缺性卻是個(gè)例外。為了達(dá)到與混合燃料汽車類似的總PGM含量，燃料動(dòng)力電池電動(dòng)汽車必須將PGM負(fù)載降低到目前最先進(jìn)水平的四分之一。這也體現(xiàn)了開(kāi)發(fā)具有降低PGM水平和改進(jìn)的效率和耐久性的催化劑的研究工作的重要性。

圖7a和圖7b分別顯示了中型車和半掛卡車車型的純電動(dòng)汽車和氫燃料動(dòng)力電池汽車的成本對(duì)照。用氫氣消耗效率代替了能耗效率，算上儲(chǔ)氫罐和燃料動(dòng)力電池系統(tǒng)的額外質(zhì)量、體積和成本，普通的氫燃料動(dòng)力電池汽車的里程、成本及其能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的總體積等指標(biāo)可用通過(guò)將前面方程（1）、（2）、（3）調(diào)整成下面公式(4)、(5)和(6)進(jìn)行估算，這樣就可以分別估算出氫燃料動(dòng)力電池汽車的里程、車輛總成本以及電池組、電池系統(tǒng)和儲(chǔ)氫罐的總體積了。

其中MH2（kg）是儲(chǔ)氫量，HCEV（kgH2/km*kg）是車輛的氫氣能量轉(zhuǎn)化效率，SEH2（kWh/kg）是氫的比能，MFC（kg/kW），PFC（kW），CFC（US$/kW）和VFC（l）分別是燃料動(dòng)力電池系統(tǒng)的質(zhì)量，功率，成本，體積；MHT（kg），CHT（US$/kWh）和VHT（l）分別是儲(chǔ)氫罐的質(zhì)量，成本和體積（詳情請(qǐng)參閱附表3）。FCEV的成本與新增駕駛距離的關(guān)聯(lián)度不高，因?yàn)樾略鲂旭偩嚯x只要新增儲(chǔ)氫罐的尺寸、數(shù)量或壓力，這比每千瓦時(shí)的鋰離子電池組更輕、更便宜。然而，目前高成本的燃料動(dòng)力電池系統(tǒng)使得傳統(tǒng)FCEV比用于消費(fèi)型汽車的BEV更昂貴(圖7a)。根據(jù)以前預(yù)測(cè)看，消費(fèi)FCEV和BEV的等成本交叉點(diǎn)將出現(xiàn)在低行駛里程；但近年來(lái)鋰離子電池成本的急劇下降，以及長(zhǎng)期預(yù)期成本更低，新增了等成本點(diǎn)。另一方面，在大部分實(shí)際行程（圖6b）中半掛車的電氣化似乎更適合用燃料動(dòng)力電池系統(tǒng)而不是鋰離子電池系統(tǒng)。當(dāng)考慮到電池系統(tǒng)的附加重量(達(dá)到長(zhǎng)距離行駛所需的重量)減少電池驅(qū)動(dòng)的半掛車所能運(yùn)載的總有效載荷時(shí)，這一點(diǎn)尤其正確。

一些新型的氫燃料動(dòng)力電池汽車裝備了一個(gè)更大的鋰離子電池，它供應(yīng)了(i)純電池驅(qū)動(dòng)的短程旅行和(ii)更大的動(dòng)力輔助燃料動(dòng)力電池，這可以使氫燃料動(dòng)力電池更加小型化。這樣的插電式混合動(dòng)力氫燃料動(dòng)力電池汽車的續(xù)航里程可以通過(guò)方程（7）進(jìn)行估算，我們將式(1)和式(4)的組合進(jìn)行了修改：

由于燃料動(dòng)力電池系統(tǒng)更小的尺寸，作為所儲(chǔ)氫氣質(zhì)量（其他假設(shè)參數(shù)見(jiàn)附表3）的函數(shù)，方程（7）的計(jì)算結(jié)果是更低的汽車成本和更長(zhǎng)實(shí)際續(xù)航里程（如圖7a所示）。利用遠(yuǎn)期預(yù)測(cè)成本和800公里續(xù)駛里程，一輛中型插電式混合動(dòng)力燃料動(dòng)力電池汽車大概比同尺寸鋰離子電池純電動(dòng)汽車便宜5000美元，而比同型號(hào)普通內(nèi)燃機(jī)汽車貴6000美元，這使其對(duì)相當(dāng)一部分美國(guó)消費(fèi)者頗具吸引力（如圖2所示）。續(xù)駛里程達(dá)2000公里的混合動(dòng)力氫燃料動(dòng)力電池汽車也在開(kāi)發(fā)之中。

目前，關(guān)于氫燃料動(dòng)力電池汽車應(yīng)用的一個(gè)較大的障礙是缺少氫氣的運(yùn)輸和供應(yīng)設(shè)施。氫氣加注站（包括氫氣的輸送和生產(chǎn)）的成本在100萬(wàn)到1000萬(wàn)美元之間，這遠(yuǎn)大于電動(dòng)汽車快充站（不到20萬(wàn)美元）的成本。因此，在短時(shí)間內(nèi)，氫燃料動(dòng)力電池汽車和氫基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展最適合高利用率的商用車領(lǐng)域，在這一領(lǐng)域，在少數(shù)幾個(gè)戰(zhàn)略位置建立的氫氣加注站就可以為預(yù)先規(guī)劃好的、高利用率的行駛路線上的車輛供應(yīng)服務(wù)，這就合理解釋了其較高的成本。然而，大規(guī)模的升級(jí)電網(wǎng)以滿足電動(dòng)汽車的充電需求可能比安裝氫燃料補(bǔ)給網(wǎng)絡(luò)更昂貴。

推廣氫燃料動(dòng)力電池汽車使用的另一個(gè)考慮因素是其有關(guān)電池的能效。整個(gè)“綠色汽車氫循環(huán)”，包括通過(guò)水的電解、氫氣的壓縮(如有必要)的運(yùn)輸，以及氫在燃料動(dòng)力電池中的轉(zhuǎn)化為動(dòng)力，以氫氣的形式儲(chǔ)存能量，其效率通常在25-30%左右(沒(méi)有熱量的回收和利用)。目前工業(yè)氫的使用率很高，盡管碳排放量也較高。相較之下，純電動(dòng)汽車的充電和行駛的總效率約為80%-85%，這意味著氫燃料動(dòng)力電池汽車可能要從電網(wǎng)獲得2.5至3.5倍的能量才能驅(qū)動(dòng)相同的距離。

但是，F(xiàn)CEV和BEV的運(yùn)行總成本相比應(yīng)該包括（i）升級(jí)目前的電網(wǎng)與建設(shè)氫基礎(chǔ)設(shè)施的成本；（ii）考慮如何在電力需求低的時(shí)候儲(chǔ)存滿足高峰需求所需的過(guò)剩能源。在英國(guó)的一項(xiàng)該類研究表明，一個(gè)只依賴于用電力驅(qū)動(dòng)終端應(yīng)用（比如純電動(dòng)汽車）的電氣化策略技術(shù)路線，其代價(jià)將是以氫氣作為重要能源載體的（全尺寸車型）終端應(yīng)用技術(shù)路線的三倍。同時(shí)也應(yīng)該注意到，以堿性電解質(zhì)和儲(chǔ)氫相結(jié)合的技術(shù)路線有著各種其他商業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用技術(shù)的最低建設(shè)成本（以每千瓦時(shí)成本計(jì)算）。

最后，質(zhì)子交換膜（PEM）燃料動(dòng)力電池的耐用性是其成功應(yīng)用的一個(gè)重要考量因素。特別是在“高使用率交通”市場(chǎng)領(lǐng)域，對(duì)氫燃料動(dòng)力電池的一個(gè)重要考驗(yàn)就是其是否展示了可比擬現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)汽車壽命的足夠的耐用性?？上驳氖?，2輛質(zhì)子交換膜（PEM）燃料動(dòng)力電池大巴最近取得了25000小時(shí)以上的運(yùn)行記錄，這相當(dāng)于4-6年的使用壽命，符合美國(guó)能源部和聯(lián)幫交通管理局制定的作為動(dòng)力的氫燃料動(dòng)力電池的壽命指標(biāo)。乘用型燃料動(dòng)力電池汽車也正接近5000小時(shí)的運(yùn)行目標(biāo)，而得益于在燃料動(dòng)力電池與更大功率電池之間切換的優(yōu)化方法，插電式混合動(dòng)力燃料動(dòng)力電池汽車的耐用性更高。

展望

對(duì)各種（化學(xué)）電池和燃料動(dòng)力電池的比能量、能量密度、成本、安全性和電網(wǎng)兼容性等性能進(jìn)行（進(jìn)一步）優(yōu)化提升是它們?cè)陂L(zhǎng)距離、低成本和高使用率交通領(lǐng)域成功應(yīng)用的必由之路。雖然沒(méi)有任何技術(shù)適合所有的應(yīng)用場(chǎng)景，然而本文中討論的幾種電池技術(shù)每一種都能適用于至少一個(gè)新興的電動(dòng)汽車市場(chǎng)（如圖8所示）；高功率鉛酸電池（鉛碳電池）能夠?qū)Φ统杀倦妱?dòng)汽車用低功率、高比能電池形成（有益的）補(bǔ)充；而鎳氫電池通過(guò)供應(yīng)更多能量的同時(shí)替代結(jié)構(gòu)及吸能組件的方式，可以提升鋰離子電池電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。

鋰硫電池則可在長(zhǎng)續(xù)駛里程和低成本交通領(lǐng)域完全替代鋰離子電池。而鋅空氣電池和鋰空氣電池也可在這些應(yīng)用領(lǐng)域作為“增程器”發(fā)揮用途。最后來(lái)說(shuō)說(shuō)氫燃料動(dòng)力電池，其“快充”和“電網(wǎng)友好”的自然特點(diǎn)非常適合高使用率交通場(chǎng)景，

而氫氣的高比能和高能量密度也使其在長(zhǎng)續(xù)駛里程電動(dòng)乘用車領(lǐng)域非常有吸引力。盡管鋰離子電池在一些電動(dòng)汽車應(yīng)用領(lǐng)域有著以上諸多性能的最佳組合，但是，考慮將各種不同的化學(xué)電池和氫燃料動(dòng)力電池有目的的進(jìn)行組合來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的辦法不失為通往真正清潔低碳交通之路的高可行性過(guò)渡手段。