電動汽車市場增長迅猛，然而主流鋰離子動力電池使其很難達到500公里以上的續(xù)航里程。本綜述第一次深度解析了電動汽車市場的未來發(fā)展需求，并將之與新型二次電池和燃料電池的技術(shù)進展相融合。為能量存儲技術(shù)在未來可移動電子設(shè)備商業(yè)化進程提供了發(fā)展路線圖。

【成果簡介】

滑鐵盧大學陳忠偉教授團隊聯(lián)合巴拉德，戴姆勒奔馳等電動汽車領(lǐng)軍企業(yè)和美國阿貢國家實驗室等頂尖科研機構(gòu)，結(jié)合電池研發(fā)，市場推廣及產(chǎn)業(yè)化前景，對動力電池的技術(shù)發(fā)展及商業(yè)化進行了深度解讀，共同在《自然》子刊-Nature Energy上發(fā)表題為“Batteries and fuel cells for emerging electric vehicle markets”的綜述文章。相比傳統(tǒng)的基于電極材料設(shè)計和電池性能比較的綜述類文章，該工作深度融合了學術(shù)界和工業(yè)界對動力電池的能量密度，成本，安全性以及電網(wǎng)兼容性所提出的要求及制定的標準，系統(tǒng)評估了不同種類的動力電池的市場應用前景。從戰(zhàn)略上為先進二次電池和燃料電池技術(shù)的未來商業(yè)化指明了可能的方向。

發(fā)展新能源汽車是各國的國家戰(zhàn)略抉擇，但是在減緩氣候變暖的大格局下，電動汽車的發(fā)展仍然不盡如人意，如圖1所示。鋰離子電池是當前最具實用價值的電動汽車動力來源，然而它的低能量密度和高成本遠遠不能滿足未來的電動車市場需求。例如在2016年的一項調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，美國消費者中超過一半的人難以接受購買續(xù)航里程280公里以下且超過普通燃油車價格5000美元的電動汽車。令人遺憾的是，圖2表明目前市場上仍未出現(xiàn)完全滿足如上需求的電動車。雖然鋰離子電池包預計2030至2040年能降至70美元/千瓦時，但即使是最具性價比的三款電動汽車仍有三成左右的消費者不愿意購買。除了價格因素，鋰離子電池包的安全性和快充能力仍然需要進一步提高以獲得市場更為廣泛的接納。

基于目前存在的問題，使用可替代的能量存儲與轉(zhuǎn)化技術(shù)顯得尤為重要。圖3展示了不同可充電電池及燃料電池的重量能量密度，體積能量密度以及能量存儲系統(tǒng)的成本。高能量密度，具有快速填充能力的氫燃料電池系統(tǒng)在重型長距離運輸載具中具有廣泛的應用前景，鋰硫電池、鋰空氣電池以及鋅空氣電池在長里程低成本電動汽車上的適用性更勝一籌。雖然鉛酸電池以及鎳氫電池在能量密度上沒有明顯的優(yōu)勢，但是這些電池具有更高的功率和更低的制造成本，因此可以在低成本汽車中作為輔助功率型電池使用，或者基于其安全，不易燃的特點作為長距離運輸載具的輔助里程提升電池使用范圍。除了上述的特點以外，其他特點比如循環(huán)壽命，使用壽命，能量效率以及電網(wǎng)兼容性都決定了清潔能源技術(shù)在下一代電動汽車中的成功應用。

【圖文導讀】

圖1. 國際能源署“高于2攝氏度方案”中提出的電動汽車銷售和電動汽車市場共享演進圖

圖2. 2017年款電動汽車續(xù)航里程與價格補貼匯總

圖3.可充電電池與氫燃料重量能量密度，體積能量密度以及能量存儲系統(tǒng)的成本

圖4. 未來市場的可替代電池和燃料電池潛在適合領(lǐng)域

【小結(jié)】

在本篇綜述文章中，我們針對這些替代的電池以及燃料電池做出全面的綜述，并評估了這些電池克服作為動力能量存儲系統(tǒng)所存在障礙的潛力。我們發(fā)現(xiàn)雖然沒有一種電池或燃料電池系統(tǒng)可以適用于電動汽車的所有市場，但這些討論的儲能技術(shù)可以幫助支持至少一種電動汽車的市場。雖然鋰離子電池還具有很好的與電子設(shè)備配套使用的能力，但其他類型的電池以及燃料電池混合驅(qū)動的載具會加速汽車向低碳環(huán)保運輸模式的轉(zhuǎn)變。