?解讀動(dòng)力電池技術(shù)，氫燃料電池/石墨烯電池等誰更有前途

去年全球范圍發(fā)布禁售燃油車時(shí)間表，讓人們意識(shí)到新能源車的時(shí)代就要來了，而純電動(dòng)車、插電混動(dòng)、燃料電池車等等，為什么短短幾年時(shí)間就成為未來的主旋律？一方面是全球戰(zhàn)略、政策等方面的支持，另一方面就是動(dòng)力電池技術(shù)的不斷提升，更長的續(xù)航、更短的充電時(shí)間，直接關(guān)乎用戶的通勤需求，才讓新能源車來到我們身邊，將來還會(huì)取代傳統(tǒng)燃油車，與大家的日常出行密不可分。于是就有了人們所說的：“新能源車的發(fā)展，就是電池技術(shù)的發(fā)展?！?/p>

鉛酸電池

純電動(dòng)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(xiàn)在大部分電動(dòng)自行車的動(dòng)力源，低成本是其最大的優(yōu)勢。不過，因?yàn)殂U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(tái)汽車對(duì)于自重的控制、驅(qū)動(dòng)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(guī)模用于量產(chǎn)車上，最終被汽車廠商淘汰。

密封包裝的鉛酸電池組

鎳氫電池

鎳氫電池與我們的日常生活很近，從早期的隨聲聽到現(xiàn)在的充電牙刷等小型電器很常見，正極為鎳氫的化合物，負(fù)極為金屬氫化物，其能量密度、充放電次數(shù)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。

鎳氫電池組

不過，因?yàn)殒嚉潆姵爻潆娦室话?、有充電有記憶效?yīng)、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(dòng)力源，適合輔助發(fā)動(dòng)機(jī)工作。這方面做得最好的要屬豐田，其混合動(dòng)力系統(tǒng)采用阿特金森發(fā)動(dòng)機(jī)＋鎳氫電池組，阿特金森發(fā)動(dòng)機(jī)本身具備中間轉(zhuǎn)速區(qū)間高效的優(yōu)勢，卻也有著低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速疲軟的問題，而鎳氫電池正好能夠解決起步與高速動(dòng)力不足的一大助力。

而從鋰電池廣泛引用之后，鎳氫電池在汽車上也有被完全取代的趨勢，如豐田新一代混動(dòng)系統(tǒng)就采用了更高效的發(fā)動(dòng)機(jī)＋鋰電池組合。相比鋰電池，鎳氫電池的容量、循環(huán)充電的壽命以及環(huán)保角度都不占優(yōu)勢，成本的優(yōu)勢也在鋰電池大力發(fā)展之下被弱化了，這正是鎳氫電池逐漸退出汽車領(lǐng)域的原因所在。

鋰電池

鋰電池正是現(xiàn)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(fù)極材料，其優(yōu)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(xiàn)階段的關(guān)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(gè)維度上存在差異。

通用集團(tuán)鋰電池組

不過無論任何類型，所有鋰電池組都會(huì)面臨低溫這個(gè)“天敵”。不同鋰電池類型的最佳工作溫度雖然有一定差異，但低于最佳區(qū)間之后伴隨而來的鋰離子的活性降低，對(duì)于續(xù)航里程的影響比較大，這在我們此前的測試中也有所體現(xiàn)：搭載鋰電池組的電動(dòng)車，北方冬季實(shí)際使用中的續(xù)航，普遍只能達(dá)到理論續(xù)航的60％多，最多也就70％左右。

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低溫的負(fù)面影響從電池本身不太好解決，于是眾多汽車廠商想辦法給電池組加溫，增加單獨(dú)針對(duì)動(dòng)力電池的控溫系統(tǒng)，采用這種做法的大部分品牌車型都有一定緩解作用，但實(shí)際效果還算不上出色的解決問題，因?yàn)橛幸恍╇妱?dòng)車控溫系統(tǒng)的耗電量，比低溫的損失還要大。

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在這方面可以有所期待的是，通用集團(tuán)已經(jīng)有意向與韓國LG集團(tuán)合作，采購直接在電池組內(nèi)部裝備多個(gè)溫控元器件的產(chǎn)品，不光能與現(xiàn)在一樣給電池散熱，還能在寒冷天氣提高電池的溫度。這項(xiàng)技術(shù)的落地值得期待，據(jù)悉，通用集團(tuán)下一輪純電和插電混動(dòng)的新車就會(huì)使用，取代現(xiàn)在日立品牌供應(yīng)的電池組。

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(xiàn)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(gè)數(shù)據(jù)還有提升的空間，以上這些都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的鋰電池。

關(guān)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(jīng)小范圍投入到了各自國家的市場中，如筆者春節(jié)前試駕的現(xiàn)代NEXO氫燃料電池車，已經(jīng)大量用于平昌冬奧會(huì)并上市銷售。

現(xiàn)代NEXO氫燃料電池車

而氫氣這么好的能源，為什么不推廣？因?yàn)橐袁F(xiàn)在的技術(shù)獲取氫氣太難了。大家都學(xué)過電解水能得到氫氣，但耗費(fèi)電能去電解水，然后再燒氫氣最終變成水，這個(gè)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(duì)于未來新能源車的動(dòng)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(yè)角度的解讀“翻譯”一下就是：用這種材料結(jié)合鋰電池有兩種使用方法，一是用石墨烯的復(fù)合材料作為鋰電池的導(dǎo)電劑，二是直接用作負(fù)極，效果都是增加鋰電池的活性，從而提升電動(dòng)車的續(xù)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(chǎn)品特質(zhì)與新能源車用戶使用直接掛鉤。這種材質(zhì)的好處確實(shí)大，而且韓國三星也已經(jīng)對(duì)外公布掌握了這項(xiàng)技術(shù)，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(lǐng)域的一種材料，何時(shí)、采用什么方式降低成本，將是這項(xiàng)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品“飛入尋常百姓家”的一大難題，各個(gè)汽車廠商都還沒有公布在這方面發(fā)力的計(jì)劃。

石墨烯鋰電池效果圖

簡單來說，純電動(dòng)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(xué)反應(yīng)）電能和水，相當(dāng)于“燒氫”來發(fā)電。兩種“電池”同樣都是零排放，電動(dòng)車鋰電池能力密度更小、低溫活性差影響續(xù)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(yōu)質(zhì)能源的原因。

固態(tài)鋰電池

固態(tài)鋰電池顧名思義就是不再使用液態(tài)的電解液，采用固態(tài)電解質(zhì)，其能力密度遠(yuǎn)超現(xiàn)在的主流的鋰電池，這意味著純電動(dòng)車型更高、甚至達(dá)到節(jié)能型汽油車的續(xù)航里程，并且充電效率相比現(xiàn)階段也有著質(zhì)的飛躍，據(jù)悉裝備固態(tài)電池的電動(dòng)車，最理想化的充電速度可達(dá)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(xiàn)階段，一些海外的能源、科技企業(yè)，以及松下等電池制造商都開始了固態(tài)電池的研發(fā)，汽車廠商涉及這方面的只有豐田、本田以及日產(chǎn)三大日系車企，這源于日本國家層面的助推。從已經(jīng)開始研究固態(tài)電池的各方計(jì)劃來看，預(yù)計(jì)2020年將在成本、能量密度和生產(chǎn)制造方面有突破性進(jìn)展。到2030年才能將這項(xiàng)研發(fā)成果落地、在新能源車領(lǐng)域廣泛普及，即離我們還有些遠(yuǎn)，這也是各大車企發(fā)布2025年全球禁售燃油車的應(yīng)對(duì)戰(zhàn)略時(shí)，并未提及固態(tài)電池的原因。

眾多車企乃至新造車勢力都發(fā)布了未來的新能源計(jì)劃，更多相關(guān)內(nèi)容敬請(qǐng)期待……

總結(jié)

往大了說，環(huán)保似乎全球的一個(gè)大方向，電能又是老百姓生活必備的能源，所以以電作為燃料的新能源車最容易實(shí)現(xiàn)，過渡最為平滑。從現(xiàn)實(shí)的角度來看，2025年禁售燃油車之后，能買到的就只有新能源車了，一款車的電池如何至關(guān)重要，正如本文所說的電池發(fā)展，老的電池類型逐漸成為歷史，新的電池技術(shù)一些還處于概念階段，一些只要攻克技術(shù)、成本等難題，就將來到大家身邊了。