鉅大LARGE | 點擊量：581次 | 2021年11月13日
動力鋰電池，誰主沉浮
不得不承認，近百年來，人類充分利用了偉大自然界的慷慨饋贈——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解決了續(xù)航里程、綜合性能、燃料加注、基礎(chǔ)設(shè)施等實際問題，在技術(shù)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(zhuǎn)變，動力鋰離子電池技術(shù)的進步與發(fā)展同樣至關(guān)重要。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(shù)路線之爭一直是業(yè)內(nèi)熱議的話題。
我們不妨既“仰望星空”又“腳踏實地”，從未來出發(fā)，把有可能獲得逐鹿中原能力的動力鋰離子電池技術(shù)依照核心原理進行一番“閱兵”。看看到底哪種技術(shù)才是新能源汽車的未來？
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%
假如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；假如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)點的金屬空氣電池，尤其是以地殼中極其豐富的鋁相關(guān)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因。
首先，成功的鋁空氣電池可以解決車輛續(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(yīng)當(dāng)。
其次，成功的鋁空氣電池可以解決車輛充能問題。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(chǔ)設(shè)施易用易建。靠近可再生能源資源中心的電解鋁設(shè)施配上發(fā)達的貨運網(wǎng)絡(luò)，再加上堪比便利店的“機械充能”站，結(jié)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(gòu)建一個完美的能源交通網(wǎng)絡(luò)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)勢就能“統(tǒng)治”能源與交通的未來。
然而，實現(xiàn)鋁空氣電池技術(shù)的應(yīng)用存在相當(dāng)大的技術(shù)難度，例如鋁負極的腐蝕抑制、正極吸氧催化劑的研究與設(shè)計等多重難題待解。毫不夸張地說，能跨越上述障礙、實現(xiàn)鋁空氣電池交通應(yīng)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(shù)，那就是鋰硫電池技術(shù)。
讓電池毫不遜色于油箱——成功的鋰硫電池同樣可以解決續(xù)航問題，這也是其概念在誕生之時就已具備的優(yōu)點。
首先，成功的鋰硫電池能讓車輛告別充電的煩惱。當(dāng)一輛電動汽車具備700公里的續(xù)航能力時，不僅對電網(wǎng)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(chǔ)設(shè)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(shù)的需求。構(gòu)建科學(xué)合理的輸配電網(wǎng)絡(luò)并配合峰谷價差、市場化電價，即可有效協(xié)調(diào)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(shù)也充滿著不確定性。電極結(jié)構(gòu)的顯著變化、多硫化物的穿梭效應(yīng)、難于控制的副反應(yīng)等問題，都在阻礙著鋰硫電池技術(shù)從實驗室走向市場。
假如鋰硫電池技術(shù)能盡早被實際應(yīng)用證實或者證偽，無疑都是好事。假如不能，那就只能期待未來會有人“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(fēng)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(jīng)實現(xiàn)了試驗車約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)。不過假如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(shè)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(dān)心的問題應(yīng)該是燃料動力鋰電池電堆的壽命、對鉑基催化劑的依賴導(dǎo)致的高成本，還有“電-氫-電”能量轉(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)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(shè)幾乎相當(dāng)于另起爐灶，挑戰(zhàn)重重，且看現(xiàn)在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(jié)構(gòu)
將當(dāng)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(zhì)，那么對應(yīng)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。可以說，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(chǎn)業(yè)鏈上的公司投入巨大精力進行有關(guān)技術(shù)研發(fā)。目前來看，固態(tài)鋰電的技術(shù)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(yù)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。解決方法可能包括前述配電網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)設(shè)施負擔(dān)（相比于大規(guī)模鋰電車應(yīng)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(gòu)建鋰電車的“插電混動”體系。當(dāng)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)模總量較大、充電無序時）是必須認真對待的。
為了實現(xiàn)固態(tài)鋰電技術(shù)的推廣應(yīng)用，“電解質(zhì)-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(fù)性等問題都有待解決。誠然解決方法充滿挑戰(zhàn)，但挑戰(zhàn)同樣意味著更美好的可能。
前瞻的進步鋰電車
從未來開始，我們一點點朝現(xiàn)實返程。
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(fù)合材料等高比容方向調(diào)整，優(yōu)化電池規(guī)格，逐步建立電池回收利用體系，結(jié)合整車平臺以電池為基礎(chǔ)的重新設(shè)計和車身輕量化，并大力建設(shè)輸配充換電智能基礎(chǔ)設(shè)施等多重前瞻因素，我們可以看到，鋰電車已有了相當(dāng)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(chǔ)設(shè)施的不斷完善，可在相當(dāng)程度上撫慰車主們焦慮的內(nèi)心；也許目前的鋰電車將在十年內(nèi)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，未來十年內(nèi)，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(nèi)的技術(shù)高地，讓鋰電車產(chǎn)業(yè)走向成熟，并將我國乃至全球的新能源車保有量擴大至可以預(yù)見的相當(dāng)份額。
現(xiàn)實的常規(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(chǔ)設(shè)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(zhuǎn)移污染”的罵名。
它真的承擔(dān)著“彎道超車”、改善環(huán)境狀況的新興產(chǎn)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(yīng)該相信，路在腳下，腳比路長。
結(jié)語
未來等待我們的，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)中的應(yīng)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(shù)諸侯爭霸的時代；再或者，可能會是一個不美好的時代——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……
未來取決于我們的選擇，但不論如何，我們都不該在燃油車時代止步不前。
（作者供職于清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院）
