鉅大LARGE | 點擊量：358次 | 2022年09月24日
動力鋰電池技術"閱兵"誰才新能源汽車的將來？
不得不承認，近百年來，人類充足利用了高尚自然界的慷慨饋贈——化石能源，也正是化石能源用超凡脫俗的能量密度點燃了從工業(yè)文明到信息文明的燎原之火。以石油工業(yè)為依托的燃油車出色地處理了續(xù)航里程、綜合性能、燃料加注、基礎設施等實際問題，在技術日臻成熟、成本逐步降低的同時也形成了強大的路徑鎖定。
新能源汽車若想與傳統(tǒng)燃油車分庭抗禮乃至取而代之，恐怕不能僅靠政策的出臺、民眾意識的轉變，動力鋰離子電池技術的進步與發(fā)展同樣至關緊要。從鋁空氣電池、鋰硫電池，到氫燃料動力鋰電池、固態(tài)鋰離子電池，再到現(xiàn)有常規(guī)鋰離子電池，各類動力鋰離子電池技術路線之爭一直是業(yè)內熱議的話題。
我們不妨既“仰望星空”又“腳踏實地”，從將來出發(fā)，把有可能獲得逐鹿中原能力的動力鋰離子電池技術依照核心原理進行一番“閱兵”?？纯淳烤鼓姆N技術才是新能源汽車的將來？
理想的鋁空氣電池車
鋁空氣電池
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
倘若說有什么還原劑可以在能量密度方面和碳氫化合物媲美，那么大家會不約而同地將目光投向元素周期表的特定位置——那些“小而美”的活潑金屬；倘若說有什么氧化劑大量、廉價、易得，那么空氣幾乎是所有人心中的不二之選。這就是身兼二者優(yōu)勢的金屬空氣電池，尤其是以地殼中極其豐富的鋁相關原料作為負極的鋁空氣電池，吸引一批又一批研究者全情投入的原由。
首先，成功的鋁空氣電池可以處理車輛續(xù)航問題。鋁負極和空氣正極的組合就是能量密度的最佳代言，“日行千里，夜走八百”理所應該。
其次，成功的鋁空氣電池可以處理車輛充能問題。采用更換負極方式的鋁空氣電池“機械充能”相比傳統(tǒng)燃油車的燃油加注毫不遜色，簡直和鋼鐵俠的能量塊相同便捷迅速。
再次，成功的鋁空氣電池基礎設施易用易建?？拷稍偕茉促Y源中心的電解鋁設施配上發(fā)達的貨運網絡，再加上堪比便利店的“機械充能”站，結合金屬鋁常溫下的表面惰性和鋁氧化物的環(huán)境友好、易回收特性，幾乎可以構建一個完美的能源交通網絡閉環(huán)。
即便在整體能量循環(huán)效率方面不及鋰電的充電樁、換電站，鋁空氣電池車僅憑借上述三方面的優(yōu)點就能“統(tǒng)治”能源與交通的將來。
然而，實現(xiàn)鋁空氣電池技術的使用存在相當大的技術難度，例如鋁負極的腐蝕抑制、正極吸氧催化劑的研究與設計等多重難題待解。毫不夸張地說，能跨過上述障礙、實現(xiàn)鋁空氣電池交通使用的研究者，絕對值得一個沉甸甸的諾貝爾獎。
“開掛”的鋰硫電池車
鋰硫電池工作原理示意圖
告別里程焦慮、不想換電只想充電、鋰電的最終形態(tài)、毀譽參半的研究熱點……以上描述都指向同一種技術，那就是鋰硫電池技術。
讓電池毫不遜色于油箱——成功的鋰硫電池同樣可以處理續(xù)航問題，這也是其概念在誕生之時就已具備的優(yōu)勢。
首先，成功的鋰硫電池能讓車輛告別充電的煩惱。當一輛電動汽車具備700公里的續(xù)航能力時，不僅對電網友好，也給車主帶來更好的使用體驗。
其次，成功的鋰硫電池可與常規(guī)鋰電車輛的基礎設施通用，且憑借其優(yōu)秀的續(xù)航里程更是淡化了對快充技術的需求。構建科學合理的輸配電網絡并配合峰谷價差、市場化電價，即可有效協(xié)調車輛的充電行為，而依托高比例可再生能源更加有助于大大提高電動汽車的市場占有率。
不過，和鋁空氣電池相同，鋰硫電池技術也洋溢著不確定性。電極結構的顯著變化、多硫化物的穿梭效應、難于控制的副反應等問題，都在妨礙著鋰硫電池技術從試驗室走向市場。
倘若鋰硫電池技術能盡早被實際使用證實或者證偽，無疑都是好事。倘若不能，那就只能期望將來會有人“開掛”做到這一點了。
拓荒的燃料動力鋰電池車
豐田、本田兩大日系車企，現(xiàn)代等韓系車企，迎頭趕上的歐洲車企……立足于高壓氫氣的高能量密度和短加注時間，以“電-氫-電”為能量路徑的燃料動力鋰電池車在拉風程度上一時無二。
豐田Mirai燃料動力鋰電池車自推出以來已經實現(xiàn)了實驗車約10萬公里安全運行，等待它的將是20萬公里或更長的續(xù)航里程挑戰(zhàn)。不過倘若能為燃料動力鋰電池搭配適量的鋰電，這種增程式燃料動力鋰電池車或許會更靠譜。
在完善的設計條件下，燃料動力鋰電池車的安全性其實不是問題——開放環(huán)境下氫氣迅速向上散逸。再者，哪種續(xù)航里程長的車輛不是燃料包呢？
更值得擔心的問題應當是燃料動力鋰電池電堆的壽命、對鉑基催化劑的依靠導致的高成本，還有“電-氫-電”能量轉化路徑的低效。和同樣規(guī)格的鋰電車相比，燃料動力鋰電池車的成本更高，一次能源消耗量基本處于對方2倍的水平。加之氫氣、液氫均不太適合長距離運輸和儲存，所以燃料動力鋰電池車理論上并不會像鋁空氣電池車那樣實現(xiàn)大范圍的能源交通網絡閉環(huán)。從可再生能源基地到特高壓輸電，再到城市范圍的現(xiàn)場制氫或中短途運輸氫則更為合理。此外，加氫站的建設幾乎相當于另起爐灶，挑戰(zhàn)重重，且看今朝全球的三百多座加氫站多長時間以后才能新增到一千座吧！
挑戰(zhàn)的固態(tài)鋰電車
固態(tài)鋰離子電池的基本結構
將當前鋰離子動力鋰離子電池中的六氟磷酸鋰基電解液替換成固態(tài)電解質，那么對應車輛的續(xù)航里程、安全性和環(huán)境友好程度等都可以得到進一步的提升?？梢哉f，固態(tài)鋰電車是使用傳統(tǒng)正極體系的鋰電車的最終形態(tài)。除高校、研究所之外，已有多家動力鋰離子電池車產業(yè)鏈上的公司投入巨大精力進行有關技術研發(fā)。目前來看，固態(tài)鋰電的技術成熟度高于鋁空氣、鋰硫電池，但相比于燃料動力鋰電池則尚有不及。
相比于現(xiàn)有鋰電車，固態(tài)鋰電車的續(xù)航里程預計將有較大幅度的進步，雖然可能比不過傳統(tǒng)燃油車輛，但可極大緩解里程焦慮問題。因為在倍率性能方面存在短板，所以固態(tài)鋰電車的充電時間較長。處理辦法可能包括前述配電網絡與定價機制、充換電協(xié)同體系等，因此并不會帶來過多的額外基礎設施負擔（相比于大規(guī)模鋰電車使用而言）。此外，將功率型常規(guī)鋰電和高能量密度固態(tài)鋰電共同使用，也可以構建鋰電車的“插電混動”體系。當然，功率型鋰電的快充需求對現(xiàn)行電力系統(tǒng)的沖擊（在規(guī)?？偭枯^大、充電無序時）是非得認真對待的。
為了實現(xiàn)固態(tài)鋰電技術的推廣使用，“電解質-電極”固態(tài)界面的行為、非高溫環(huán)境下倍率性能的改善、不同批次電池的性能可重復性等問題都有待處理。誠然處理辦法洋溢挑戰(zhàn)，但挑戰(zhàn)同樣意味著更美妙的可能。
前瞻的進步鋰電車
從將來開始，我們一點點朝實際返程。
將現(xiàn)行鋰離子電池的正負極在保證安全性的條件下向高鎳三元材料、硅碳復合材料等高比容方向調整，優(yōu)化電池規(guī)格，逐步建立電池回收利用體系，結合整車平臺以電池為基礎的重新設計和車身輕量化，并大力建設輸配充換電智能基礎設施等多重前瞻因素，我們可以看到，鋰電車已有了相當程度的進步。
也許目前的鋰電車還存在里程焦慮等諸多問題，但隨著基礎設施的不斷完善，可在相當程度上撫慰車主們焦慮的內心；也許目前的鋰電車將在十年內淘汰換新，但十年也被認為是可被接受的期限；也許目前的鋰電車還在飽受資源回收和環(huán)境保護方面的爭議，但它至少可以做到讓多數(shù)人消費得起，用得省心、安心。
綜合來看，將來十年內，行業(yè)將面對洗牌。洗牌過后，存活下來的鋰電公司將登上視野范圍之內的技術高地，讓鋰電車產業(yè)走向成熟，并將我國乃至全球的新能源車保有量張大至可以預見的相當份額。
實際的常規(guī)鋰電車
就在面前，就在今天。
缺少專屬的電動汽車平臺、冬季尤甚的里程焦慮、仍顯不足的基礎設施、層出不窮的“騙補”事件、補貼退坡后的陣痛、尚待論證的梯次利用和資源回收研究……這些都是常規(guī)鋰離子電池車正在面對的煩惱。
它可能是小康之家的第二臺車，也可能是搖號未果的無奈選擇。
它可能是諸多大城市減少污染的最優(yōu)選擇，也背負著“電從煤來”、“轉移污染”的罵名。
它真的承擔著“彎道超車”、改善環(huán)境狀況的新興產業(yè)期許，也有著性能短板較多、續(xù)航里程不足，尤其是回收體系尚未建立等諸多弊端。
它要改進的地方太多，但我們總應當相信，路在腳下，腳比路長。
結語
將來等待我們的，可能是夢想中的時代——鋁空氣電池車、鋰硫電池車都能得到廣泛普及，可再生能源在交通系統(tǒng)中的使用形成了真正的閉環(huán)，燃油車被徹底淘汰；也或許會是固態(tài)鋰電、燃料動力鋰電池和混合動力三大技術諸侯爭霸的時代；再或者，可能會是一個不美妙的時代——鋰離子電池車的里程焦慮仍在，人們抱怨油價高昂、動力鋰離子電池回收成難題……
將來取決于我們的選擇，但不論要怎么樣，我們都不該在燃油車時代止步不前。
