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简析纯电动车和燃料电池车的电池技术壁垒

导读: 到2020年欧洲范围的法规要求车辆每行驶一公里的二氧化碳排放量控制在95克,只有那些利用可再生能源(风能、太阳能等)的增程混合动力汽车和纯电动汽车能达到这样的标准。

  到2020年欧洲范围的法规要求车辆每行驶一公里的二氧化碳排放量控制在95克,只有那些利用可再生能源(风能、太阳能等)的增程混合动力汽车和纯电动汽车能达到这样的标准。根据其他的研究发现,如果不增加可再生能源发电量的比例,唯一能够满足二氧化碳排放标准的车型是电池组驱动的纯电动汽车,即便是电解过程(化学反应所需能量由供电电网或天然气提供)生成的氢气也超过该目标值。

  理论上来说通过使用可再生电能,增程混合动力车型在纯电动模式下,续航里程超过64公里就能够满足二氧化碳排放标准;而纯电动模式下的驱动方式,可以从电池组供能和氢气燃料电池驱动系统中进行选择。包括丰田在内的多家汽车制造厂商都已经开始投入纯电动汽车研发中,其中电池组驱动的纯电动汽车是短距离出行最合适的方式,而燃料电池电动汽车更适合于单次较长的行驶距离。

  不论电池组驱动的纯电动汽车,还是燃料电池电动汽车,都存在成本和耐久性挑战,依然需要突破性的革新技术早日出现。主要的技术难点包括以下几点。

  虽然工程师们在锂离子电池组上花费了大量的研究和开发精力,但是比能明显超过0.25千瓦时/千克的电池系统至今都没能实现。因此对于中型车市场而言,基于锂离子电池组驱动的纯电动汽车单次充电续航里程超过300公里暂时还没有理论可能,即便有相关产品问世,价格也是一般消费者难以承受得起的。

  以锂作为基础的锂/空气或者锂/氧气电池系统,目前缺乏稳定的电极组件和电解质材料,无法保证在充放电循环过程中氧气的再生还原率达到100%。所以未来的基础研究和材料开发中,要对锂/氧气电池的可行性展开进一步的验证。如果实用性得到确认,批量化生产的锂/氧气电池系统比能将有所提升,但是相比于传统锂离子电池组(使用硅/碳合成阳极和HE-NMC、NMC811、NCA阴极),优化程度最多达到1.5倍。

  锂/硫电池组很难获得理想的比重能量密度,近些年汽车工业的理念开始改变,越来越重视比体积能量密度,而不是单纯的比重能量密度。无论采用何种电极材料,锂/硫电池组可达到的比体积能量密度都大幅度低于传统锂离子电池组。为了使得电池单元的比重能量密度具有竞争力,锂/硫电池组需要相当大的表面积容量(大于4毫安时/平方厘米)和非常高的阴极硫含量(大于60%)。这种使用硅阳极的锂/硫电池组单元比能量密度达到350到400瓦时/千克,最高效能是传统锂离子电池组的1.3倍。

  在比体积能量密度方面,锂/硫电池组单元完全比不上传统锂离子电池组。但是考虑成本因素,锂/硫电池组可能有一定优势,因为提高生命周期和安全性的附加部件(扩散膜等)价格相对较低。如果固体电解质界面膜被研发出来阻止电解液的持续消耗,应用硅材料取代金属锂作为阳极材料,将有可能提高能量密度和延长生命周期。锂/硫电池组的硅阳极依然是一个开放性问题,涉及到怎样与锂相兼容,方法包括工业可行的预处理锂化工艺,或者用硫化锂代替硫阴极。

  在过去的十年中,氢气燃料电池得到了非常大的进步。阴极高活性催化剂理念正将每辆燃料电池汽车的铂金使用量缩减到10克以下。脱合金化技术加工的新类型铂/铝催化剂展示了出色的电压循环稳定性,达到美国能源部设定的标准。现在的挑战是把先进的催化剂理念与高耐久性载体材料结合到一起,以便确保在整个汽车使用期限内燃料电池的性能表现。除此之外,低铂金负载造成的质量传输损失还需要得到更详细的理解,从而更好地降低损失量。燃料电池介质膜面临的最主要挑战是,发掘那些适用于高工作温度和相对低湿度环境下的材料,帮助简化系统设计、提高排热效率以及减小空气压缩机的能量损失。

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