報(bào)告|新能源創(chuàng)新階段總結(jié)，汽車(chē)電池成本與耐久性PK
日期：2024-10-16 13:02:24 作者：宏力精密鋼管 閱讀數(shù)：315《電化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)志》日前發(fā)表了一篇可免費(fèi)獲取的綜述性文章，來(lái)自汽車(chē)技術(shù)公司和大學(xué)的專(zhuān)業(yè)人士深入探討純電動(dòng)汽車(chē)電池組和質(zhì)子交換膜燃料電池存在的技術(shù)壁壘。
到2020年，歐洲范圍的法規(guī)要求車(chē)輛每行駛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(風(fēng)能、太陽(yáng)能等)的增程混合動(dòng)力汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)能達(dá)到這樣的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)其他的研究發(fā)現(xiàn)，如果不增加可再生能源發(fā)電量的比例，唯一能夠滿(mǎn)足二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)型是電池組驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車(chē)，即便是電解過(guò)程(化學(xué)反應(yīng)所需能量由供電電網(wǎng)或天然氣提供)生成的氫氣也超過(guò)該目標(biāo)值。
理論上來(lái)說(shuō)通過(guò)使用可再生電能，增程混合動(dòng)力車(chē)型在純電動(dòng)模式下，續(xù)航里程超過(guò)64公里就能夠滿(mǎn)足二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn);而純電動(dòng)模式下的驅(qū)動(dòng)方式，可以從電池組供能和氫氣燃料電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中進(jìn)行選擇。包括豐田在內(nèi)的多家汽車(chē)制造廠(chǎng)商都已經(jīng)開(kāi)始投入純電動(dòng)汽車(chē)研發(fā)中，其中電池組驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車(chē)是短距離出行最合適的方式，而燃料電池電動(dòng)汽車(chē)更適合于單次較長(zhǎng)的行駛距離。
不論電池組驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車(chē)，還是燃料電池電動(dòng)汽車(chē)，都存在成本和耐久性挑戰(zhàn)，依然需要突破性的革新技術(shù)早日出現(xiàn)。主要的技術(shù)難點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)。
雖然工程師們?cè)阡囯x子電池組上花費(fèi)了大量的研究和開(kāi)發(fā)精力，但是比能明顯超過(guò)0.25千瓦時(shí)/千克的電池系統(tǒng)至今都沒(méi)能實(shí)現(xiàn)。因此對(duì)于中型車(chē)市場(chǎng)而言，基于鋰離子電池組驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車(chē)單次充電續(xù)航里程超過(guò)300公里暫時(shí)還沒(méi)有理論可能，即便有相關(guān)產(chǎn)品問(wèn)世，價(jià)格也是一般消費(fèi)者難以承受得起的。
以鋰作為基礎(chǔ)的鋰/空氣或者鋰/氧氣電池系統(tǒng)，目前缺乏穩(wěn)定的電極組件和電解質(zhì)材料，無(wú)法保證在充放電循環(huán)過(guò)程中氧氣的再生還原率達(dá)到100%。所以未來(lái)的基礎(chǔ)研究和材料開(kāi)發(fā)中，要對(duì)鋰/氧氣電池的可行性展開(kāi)進(jìn)一步的驗(yàn)證。如果實(shí)用性得到確認(rèn)，批量化生產(chǎn)的鋰/氧氣電池系統(tǒng)比能將有所提升，但是相比于傳統(tǒng)鋰離子電池組(使用硅/碳合成陽(yáng)極和HE-NMC、NMC811、NCA陰極)，優(yōu)化程度最多達(dá)到1.5倍。
鋰/硫電池組很難獲得理想的比重能量密度，近些年汽車(chē)工業(yè)的理念開(kāi)始改變，越來(lái)越重視比體積能量密度，而不是單純的比重能量密度。無(wú)論采用何種電極材料，鋰/硫電池組可達(dá)到的比體積能量密度都大幅度低于傳統(tǒng)鋰離子電池組。為了使得電池單元的比重能量密度具有競(jìng)爭(zhēng)力，鋰/硫電池組需要相當(dāng)大的表面積容量(大于4毫安時(shí)/平方厘米)和非常高的陰極硫含量(大于60%)。這種使用硅陽(yáng)極的鋰/硫電池組單元比能量密度達(dá)到350到400瓦時(shí)/千克，最高效能是傳統(tǒng)鋰離子電池組的1.3倍。
在比體積能量密度方面，鋰/硫電池組單元完全比不上傳統(tǒng)鋰離子電池組。但是考慮成本因素，鋰/硫電池組可能有一定優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樘岣呱芷诤桶踩缘母郊硬考?擴(kuò)散膜等)價(jià)格相對(duì)較低。如果固體電解質(zhì)界面膜被研發(fā)出來(lái)阻止電解液的持續(xù)消耗，應(yīng)用硅材料取代金屬鋰作為陽(yáng)極材料，將有可能提高能量密度和延長(zhǎng)生命周期。鋰/硫電池組的硅陽(yáng)極依然是一個(gè)開(kāi)放性問(wèn)題，涉及到怎樣與鋰相兼容，方法包括工業(yè)可行的預(yù)處理鋰化工藝，或者用硫化鋰代替硫陰極。
在過(guò)去的十年中，氫氣燃料電池得到了非常大的進(jìn)步。陰極高活性催化劑理念正將每輛燃料電池汽車(chē)的鉑金使用量縮減到10克以下。脫合金化技術(shù)加工的新類(lèi)型鉑/鋁催化劑展示了出色的電壓循環(huán)穩(wěn)定性，達(dá)到美國(guó)能源部設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在的挑戰(zhàn)是把先進(jìn)的催化劑理念與高耐久性載體材料結(jié)合到一起，以便確保在整個(gè)汽車(chē)使用期限內(nèi)燃料電池的性能表現(xiàn)。除此之外，低鉑金負(fù)載造成的質(zhì)量傳輸損失還需要得到更詳細(xì)的理解，從而更好地降低損失量。燃料電池介質(zhì)膜面臨的最主要挑戰(zhàn)是，發(fā)掘那些適用于高工作溫度和相對(duì)低濕度環(huán)境下的材料，幫助簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、提高排熱效率以及減小空氣壓縮機(jī)的能量損失。