淺談電動汽車和動力電池技術發(fā)展趨
為了應對“排放門”和全球各國日益嚴格的汽車排放法規(guī)要求,大眾汽車制定了“Together-Strategy 2025”策略,并在2016年6月宣布:截至2025年將發(fā)布30款純電動汽車EV,并且銷量目標將達到200萬-300萬輛(占大眾所有車型銷量的20-25%),相當激進的計劃。戴姆勒也宣布截至2022年將發(fā)布20款純電動汽車EV和插電式混合電動車PHEV(占總銷量25%)。寶馬也將截至2025年的電動汽車xEV的銷量比例設定在25%。特斯拉、通用、福特也宣布截至2020年將發(fā)布10-13款EV和PHEV。隨著全球電動汽車的快速增長,電池制造商也在熱火朝天的擴產(chǎn)、改進鋰離子電池(LIB)性能。
對于電動汽車的普及,產(chǎn)業(yè)分析師們也難得的達成了非常一致的看法:不斷提高電池能量密度、功率密度、快充能力,同時還要不斷降低成本。在成本方面,大眾市場總監(jiān)Richardo Tomaz在采訪中說到:現(xiàn)在電芯成本到了1.5元/Wh左右的水平并不稀奇,因為Tesla(電池包:190USD/kWh)和GM(電芯:145USD/kWh)走得更快一步,成本甚至更低(盡管有評論懷疑是否是虧錢),大眾甚至制訂了更為激進的2020 成本目標(模塊及其制造成本:93USD/kWh)。
而在中國,逐年退坡的補貼政策也把降成本的壓力轉(zhuǎn)嫁到了電池上。在提高能量密度的同時,成本通常會增加,充電時間也會增加,這幾個參數(shù)之間看起來總是矛盾般的存在。例如,30kWh的日產(chǎn)聆風在50kW快充模式充滿80%的電量需要30min不到(有網(wǎng)友報道二十多分鐘也能充到80%),日產(chǎn)計劃通過提高充電電壓,從而把充電功率從50kW提高到150kW,但是即使這樣,充電也仍然需要20min左右。當然,我們看到現(xiàn)在歐洲也已經(jīng)在布局350kW的快充了,但是是否能快速的鋪開充電基礎設施還需要觀察。目前而言,跟加油時間相比,快充技術仍然是個影響電動車普及的重要因素之一。
下表列出了傳統(tǒng)汽油車、HEV、PHEV、EV、燃料電池車FCV 、天然氣汽車等的一些優(yōu)缺點,其中,EV在續(xù)駛里程、充電時間、成本三個方面的劣勢再目前還是大家比較關注的,PHEV、FCV在成本上也是面臨挑戰(zhàn)。
作為下一代鋰離子電池技術,全固態(tài)鋰離子電池被寄予厚望,它具有更高的能量和功率密度,還具備快速充電特性,電解質(zhì)也不存在泄漏的隱患,被認為是應用于電動汽車的有力競爭者。
下圖對比了幾種類型電池的能量、功率密度特性。從圖中可以看到,全固態(tài)電池在能量和功率特性上超過了如今的鋰離子電池。在能量特性方面稍遜于鋰硫電池、鎂離子電池和鋰空氣電池等新型電池?;仡櫣虘B(tài)電解質(zhì)的研究歷史,多種電解質(zhì)材料都得到了廣泛的研究。在2011-2016期間,東京工業(yè)大學的Ryoji Kanno教授發(fā)現(xiàn)了鋰、鍺、磷、硫基超離子導體,它們作為固態(tài)電解質(zhì) 的離子導電率都超過液態(tài)電解液。2016年, Ryoji Kanno和豐田汽車的Yuki Kato博士等報道了新的超離子導體,實驗室的研究數(shù)據(jù)顯示:其中一種Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3材料的離子導電率高達25mS/cm,另一種Li9.6P3S12材料也顯示出較高的電化學穩(wěn)定性(∼0V vs.鋰),試驗電池的工作溫度范圍很寬,在-30~100攝氏度之間,功率特性優(yōu)于液態(tài)電解液的電池,快充性能極好,達到18C,循環(huán)壽命在500次容量保持率為75%。當然,這些實驗室的研究成果還需要投入很多進一步的研究才能達到產(chǎn)業(yè)化的階段。
在科技轉(zhuǎn)化為商品的發(fā)展過程中,通常會用“魔鬼之河Devil's River”、“死亡之谷Valley of Death”和“達爾文海Darwin's sea”來形容從基礎研究、產(chǎn)品開發(fā)和大規(guī)模商業(yè)化的幾個階段:
跨越魔鬼之河:需要克服基礎研究和應用研究之間的困難和障礙
跨越死亡之谷:需要克服應用研究和商業(yè)化的之間的困難和障礙
跨越達爾文海:需要克服產(chǎn)品化和商業(yè)化之間的困難和占該,或者尋找新的商業(yè)模式
下圖概括了鋰離子電池跨越上述三個階段的時間,同時也對全固態(tài)電池的階段進行了預測。全固態(tài)電池的研究可以追溯到19世紀70年代,如今經(jīng)過40多年了,一些新的超離子導體逐步被發(fā)現(xiàn),這使得固態(tài)電池有機會逐漸從研究階段向產(chǎn)品開發(fā)階段推進變得有可能,這就可以看作是跨越了魔鬼之河。當很多人問到全固態(tài)電池什么時候可以實現(xiàn)商業(yè)化這個問題時,或許用這句話可以概括:它還需要穿越“死亡之谷”和“達爾文海”。正如如今的鋰離子電池也是經(jīng)過十多年才跨越三個階段,而全固態(tài)電池或許還有更長的路要走完剩下的兩個階段,或許還需要10-20年?
責任編輯:仁德財
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