今年诺贝尔化学奖是否能给电动汽车带来“续命”的机会?

今年诺贝尔化学奖的获得者,是来自美国的约翰.古迪纳夫(John B Goodenough)、英国的斯坦利.惠廷厄姆(M Stanley Whittingham)和日本的吉野彰(Akira Yoshino)三位科学家,他们在锂离子电池的贡献,可以说给我们的生活带来了非常大的改变。

锂离子电池具备重量轻、能量密度比高、适应性强等优点,像我们日常使用频率最高的手机,数码产品,甚至纯电动汽车都广泛使用锂电池作为能量储存的载体。诺贝尔奖官方对他们的评价正是源于此:“他们的研究工作,奠定了无线时代和摆脱化石燃料的基础。”

 

尽管目前我们还不能判定锂电池是否就是新能源汽车的最终解决方案,但在各项政策的扶持,以及对电动车研发的投入来看,锂电池确实在当前的情况下主宰了纯电动车的驱动单元。我们知道,电动车“三电”系统中最为核心和重要的一个部分就是电池。动力电池的研发与生产,也直接影响着纯电动汽车的发展。

电能作为可再生资源,清洁能源(电池中的重金属有污染,但电能本身对环境更为友好)极有可能替代传统的化石燃料,成为未来的重要能源方式之一,而如何将电能存储确实是一个很棘手的课题。

 

锂电池正是与传统铅酸液态电池有着质的飞跃。这里我们先要提下钴酸锂电池,John B Goodenough在1976年发现的钴酸锂材料之后,便开创了锂电池时代。钴酸锂电池结构稳定、能量密度比高,但是其安全性差、成本非常高,因此主要用于制造手机和笔记本电脑及其它便携式电子设备的电池,并不适合作为动力电池推广。因此,目前电动汽车使用的电池的类型主要是:磷酸铁锂,以及三元锂电池。

 

磷酸铁锂电池的特点是不含贵重金属元素(比如钴等),原料价格低且磷、铁的资源含量丰富,不存在供料短缺的问题。同时在使用中具有耐高温,安全稳定性强,价格便宜,循环性能更好的优势。比如磷酸铁锂电池循环5000次剩余容量大约是84%左右。但是相应的缺点也很明显,比如体积大,受温度影响大,尤其是低温环境下,放电能力和容量均会大幅度降低。此外,磷酸铁锂的能量密度较低,只有120瓦时/公斤,低于国家发展规划中大于 150 瓦时/公斤的要求。

不过,由于磷酸铁锂在循环寿命方面的优势很突出,因此科研领域里并没有放弃对这类电池的研究。而研发主要集中在提升低温稳定性,以及能量密度的工作上。目前已有试验获得200瓦时/公斤的成果,使得磷酸铁锂电池的应用范围得到扩展的可能。

 

磷酸铁锂电池目前主要用于公交领域,大批量的新能源公交车都采用了磷酸铁锂电池作为动力电池的首选。而比亚迪正是磷酸铁锂的主要供应和应用商之一,不过从2016年起,旗下除了大巴等商用车系列还在使用磷酸铁锂以外,更多的乘用车,也就是我们日常购买的轿车,SUV等也开始使用三元锂电池作为动力单元。

三元锂电池则是当前汽车主机厂主要采用的动力电池。同样,自然它有着比磷酸铁锂更优势的特点。三元锂电是含有镍、钴、锰三种元素的过渡金属嵌锂氧化物符合材料正极的锂电池,同时也集中了三种钴酸锂、镍酸锂和锰酸锂三种材料的优点,能量密度可以达到200瓦时/公斤,电压平台高,体积可以减小,而相应的缺点也很明显,比如由于三种元素的活跃性,三元锂电的安全性较差,耐高温性不佳,循环3900次剩余容量66%等等。但为什么大部分的乘用车还会采用三元锂电呢?

首先,能量密度高且单位体积下能够存储更多的电能,这样就可以占用更少的空间,家用车在设计上能够为乘坐舱和储物腾出更多的空间。其次,通过使用较高的耐热材料,通过电控系统实时监测电池的充电状态,主动控制和干预电流,并且采用泄压阀减轻电池内压力等手段,都可以提升三元锂电池的安全性。所以,目前来说,三元锂电池的应用范围还是最广的。

 

目前作为动力电池的供货商,宁德时代是市场占有率排在第一位的厂商,而松下凭借与特斯拉的合作,紧随其后,比亚迪结合自身制造电池的雄厚基础,也在磷酸铁锂和三元锂电池方面成为国内的主力动力电池制造商。而像LG,三星,国内的国轩高科等等都在锂电池生产方面已经具备一定知名度。可见,在锂电池生产这方面,锂电池的规模提速还是相当显著的。

磷酸铁锂和三元锂电池的出现,国内外众多动力电池制造商成长,与那三位研究锂电池的科学家密不可分,而今年诺贝尔化学奖的结果,更是对锂电池应用的一种认可。在没有其他突破性新能源出现之前,电能仍旧是未来汽车的主要能量来源。对于电动汽车来说,安全,高效,稳定,且逐渐降低成本的锂电池,作为电能储存方式也有其巨大的价值。由诺贝尔奖而使得锂电池受到更多关注,有可能会吸引更多的研发经费和关注集中到这个领域,而现在普遍对纯电动车的续航以及电池寿命等问题,也有可能因此得到解决。



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