鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:1029次 | 2021年09月24日
電動(dòng)汽車電池及充電技術(shù)大盤點(diǎn)
號(hào)稱下一個(gè)喬布斯的硅谷奇才艾倫·穆斯克帶著他的純電動(dòng)汽車來(lái)了。短時(shí)間內(nèi)就被推上了神壇,更觸動(dòng)了國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的敏感神經(jīng)。甚至于造車狂人王傳福都坐不住了,放出比亞迪分分鐘可造出特斯拉的豪言主。日前王傳福在比亞迪股東大會(huì)時(shí)所說(shuō),純電動(dòng)汽車技術(shù)不是問(wèn)題,問(wèn)題在于市場(chǎng)。真的嗎?一直困擾電動(dòng)汽車普及的電池問(wèn)題完全解決了?電動(dòng)汽車終有一天會(huì)取代傳統(tǒng)燃油汽車,這是不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。但就現(xiàn)階段而言,困擾電動(dòng)汽車普及的問(wèn)題除了速度、馬力等因素之外,還有一個(gè)重要的因素就是電池。今天,小編帶大家來(lái)看看那些近期推出的可能推動(dòng)電動(dòng)汽車快速發(fā)展的電池及充電技術(shù)。
鋰-空氣電池超強(qiáng)蓄電能力或可替代現(xiàn)有鋰離子電池盡管眼下我們用來(lái)給電動(dòng)汽車供能的鋰離子電池一直以來(lái)也都在改進(jìn),但一種流傳很久的說(shuō)法是,從技術(shù)上講,當(dāng)初啟用鋰離子電池可能是選錯(cuò)了道。若要使電池的性能與化石燃料相媲美,那么電池的能量密度就需達(dá)到約1000瓦時(shí)/千克。而眼下我們所使用的鋰離子電池,就算性能翻番也只能達(dá)到400瓦時(shí)/千克。正如美國(guó)前能源部部長(zhǎng)朱棣文所言,電池科技若要與內(nèi)燃機(jī)相抗衡,其蓄電能力還得提升至當(dāng)今電池的六到七倍。
而就是在這一點(diǎn)上,鋰-空氣電池以其十倍于鋰離子電池的蓄電能力強(qiáng)勢(shì)登場(chǎng)。但時(shí)至今日,這種電池除了在高度受控的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)可行之外,要在其他任何地方實(shí)現(xiàn)應(yīng)用仍然是個(gè)重大的難題。在發(fā)表于美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)(ACS)期刊《納米快報(bào)》(NanoLetters)的論文(《用原位透射電鏡觀察過(guò)氧化鋰電化學(xué)氧化反應(yīng)的研究》)中,麻省理工學(xué)院和桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員使用透射電子顯微鏡(TEM),深入探究了阻礙鋰-空氣電池進(jìn)展中的一個(gè)難題析氧反應(yīng)。研究人員正是在這一反應(yīng)中首次觀察到了過(guò)氧化鋰(Li2O2)的氧化。過(guò)氧化鋰是鋰-空氣電池放電過(guò)程中出現(xiàn)的副產(chǎn)物。觀察顯示,過(guò)氧化鋰重要在電池基板的界面生成,后者由多壁碳納米管制成。在該位置,過(guò)氧化鋰阻礙電子流動(dòng),從而阻礙電池充電。然而,研究人員還發(fā)現(xiàn),在充電時(shí),當(dāng)電子通過(guò)碳納米管時(shí),放電時(shí)形成的過(guò)氧化鋰又會(huì)逐漸縮小。這意味著,假如能加快電池的電子轉(zhuǎn)移,那么也就能提升這些電池的充電速度。雖然該研究仍然沒(méi)有為這些電池在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境之外的應(yīng)用指明道路,但選取一種至少有望讓電動(dòng)汽車與化石燃料驅(qū)動(dòng)汽車相比肩的電池科技作為未來(lái)的道路,也不失為明智之舉。假如說(shuō),鋰-空氣電池還只是處于理論研究當(dāng)中,或許還要漫長(zhǎng)的等待時(shí)間。那我們不妨來(lái)看看下面這種全新電池技術(shù)。全新全固態(tài)鋰硫電池加快電動(dòng)汽車發(fā)展據(jù)報(bào)道,美國(guó)能源部下屬的橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)的科學(xué)家設(shè)計(jì)出了一種全新的全固態(tài)鋰硫電池,其能量密度約為目前電子設(shè)備中廣泛使用的鋰離子電池的4倍,且成本更低廉。該研究的領(lǐng)先者梁誠(chéng)督(音譯)表示:新電池中用到的電解質(zhì)也是固體,這種設(shè)計(jì)思路完全顛覆了已延續(xù)150年到200年的兩個(gè)電極加一堆電解液的固有電池概念,也解決了其他化學(xué)家一直擔(dān)心的易燃問(wèn)題。幾十年來(lái),科學(xué)家們一直很看好鋰硫電池,其比鋰離子電池效率高且成本低。但壽命短是其最大弱點(diǎn),因此一直未被商用。另外,電池內(nèi)使用液體電解質(zhì)也成為科學(xué)家們的桎梏。一方面,液體電解質(zhì)會(huì)通過(guò)溶解多硫化物從而幫助鋰離子在電池中傳導(dǎo)。但不利的是,這一溶解過(guò)程會(huì)使電池過(guò)早地被損壞。
現(xiàn)在,該ORNL研究團(tuán)隊(duì)的新設(shè)計(jì)方法清除了這些障礙。首先,他們合成出了一種富含硫的新物質(zhì)并將其作為電池的陰極,其能傳導(dǎo)鋰離子和傳統(tǒng)電池陰極中使用的硫金屬鋰化物,隨后,再將其同由鋰制成的陽(yáng)極以及固體電解質(zhì)(也由ORNL的研究人員研發(fā)而成)結(jié)合在一起,制造出了這種能量密度大的全固態(tài)電池。測(cè)試結(jié)果表明,新電池在60攝氏度的溫度下,經(jīng)過(guò)300次充放電循環(huán)后,電容可以維持在1200毫安小時(shí)/克,而傳統(tǒng)鋰離子電池的平均電容為140至170毫安小時(shí)/克。梁誠(chéng)督表示,因?yàn)殇嚵螂姵財(cái)y帶的電壓為鋰離子電池的一半,平均電容為其8倍,所以,新電池的能量密度約為傳統(tǒng)鋰離子電池的4倍。早在上世紀(jì)90年代,就有人開(kāi)始研發(fā)鋰硫電池,最近幾年,國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究工作更為活躍。較高的比容量和能量密度,意味著鋰硫電池的單體重量和體積更小,放電能力更強(qiáng),且成本低廉,這一切看似都與現(xiàn)今電動(dòng)汽車發(fā)展的需求相當(dāng)契合。然而毋庸置疑的是,其研究還有較長(zhǎng)的路要走,比如還要進(jìn)一步新增循環(huán)次數(shù),并且該電池的能量密度和功率密度還要進(jìn)一步的提升才能滿足電動(dòng)汽車市場(chǎng)的要。隨著電池蓄電能力的不斷提高,充電技術(shù)也將隨之成為電動(dòng)汽車普及的又一關(guān)鍵。首先,讓我們來(lái)看看特斯拉是如何解決現(xiàn)階段電動(dòng)汽車因電池蓄電能力不足而導(dǎo)致所跑里程有限且充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。特斯拉:建超級(jí)充電站網(wǎng)絡(luò)解決電動(dòng)汽車普及難題據(jù)悉,美國(guó)電動(dòng)汽車制造商特斯拉到計(jì)劃今年年底前,在美國(guó)組建成一個(gè)超級(jí)充電站網(wǎng)絡(luò),屆時(shí)公眾將能夠輕松駕駛特斯拉電動(dòng)汽車由洛杉磯前往紐約。目前特斯拉該充電站網(wǎng)絡(luò)僅有9個(gè)投入使用,其中7個(gè)位于加州。按照原定計(jì)劃,到2015年時(shí),該網(wǎng)絡(luò)投入使用的充電站數(shù)量將增至100個(gè)。但馬斯克周三晚表示,特斯拉將加快該充電站網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)速度,該網(wǎng)絡(luò)充電站數(shù)量將擴(kuò)大三倍,我們將于明天向外界展示這些充電站所在位置的具體地圖。
業(yè)界人士指出,充電站數(shù)量新增后,無(wú)疑將受到電動(dòng)汽車駕駛員的歡迎。就目前而言,普及電動(dòng)汽車的最大難題,就是缺乏一項(xiàng)低成本、高效率的電池技術(shù)。正因?yàn)槿绱?,?dāng)前各類電動(dòng)汽車充電后所跑里程數(shù)有所限制,充電時(shí)間也較長(zhǎng),而且汽車售價(jià)也比較昂貴。馬斯克承認(rèn),電動(dòng)汽車單次里程數(shù)不長(zhǎng)的缺點(diǎn),導(dǎo)致不少潛在用戶對(duì)依靠電池供電的電動(dòng)汽車持謹(jǐn)慎態(tài)度。馬斯克說(shuō):人們?cè)谫?gòu)買汽車時(shí),他們也是在購(gòu)買一種自由自在的理念,即他們能夠前往任何地方而沒(méi)有后顧之憂。馬斯克稱,在特斯拉超級(jí)充電站網(wǎng)絡(luò)中,特斯拉電動(dòng)汽車車主可在半路上為汽車充電,用時(shí)半小時(shí),充電過(guò)程免費(fèi)。業(yè)界人士認(rèn)為,假如該超級(jí)充電站網(wǎng)絡(luò)確實(shí)能夠像馬斯克所說(shuō)那樣得以快速發(fā)展,則無(wú)疑將給其客戶帶來(lái)諸多便利。接下來(lái),我們看看沃爾沃的電動(dòng)路概念。電動(dòng)路:讓電動(dòng)汽車擺脫電池有關(guān)頻繁??康拈L(zhǎng)途貨車和客車,固定??奎c(diǎn)充電站的用途有媽。為此沃爾沃提出電動(dòng)路的概念,將城市道路鋪滿電纜。電纜是分段的,只有電動(dòng)汽車發(fā)出特定的加密信號(hào)時(shí),電動(dòng)汽車下的那段電纜才會(huì)出現(xiàn)電流。
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%
作為附加的安全措施,只有當(dāng)電動(dòng)汽車速度高于60km/h才會(huì)有電流出現(xiàn)。此外,西門子公司也在嘗試頂部懸空電纜。但是,沃爾沃認(rèn)為頂部懸空電纜成本高昂,并且不能被普通車輛使用(因?yàn)楦叨炔粔颍?,還有,視覺(jué)效果也不好。有了充電站,接下來(lái)的要解決的問(wèn)題就是充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。假如電動(dòng)汽車充電也像燃油汽車加油那樣方便,那將不再成為電動(dòng)汽車站普及的坎。新型電動(dòng)汽車充電標(biāo)準(zhǔn):可20分鐘充滿電日前來(lái)自國(guó)外汽車工程學(xué)會(huì)的研究人員發(fā)明了一種能夠在20分鐘內(nèi)將汽車電池充滿的新方法。實(shí)際上,這種新方法其實(shí)并不新鮮,它重要是改變了傳統(tǒng)充電連接器的新標(biāo)準(zhǔn),使得汽車的充電接口能夠接收直流電的快速充電。
據(jù)悉,新接口每次充電僅需20分鐘即可將一臺(tái)寶馬i3充滿80%,大概可支持行駛80英里(約合129公里左右。相有關(guān)以前的充電方式來(lái)說(shuō),效率上已經(jīng)提高非常大。目前,包括寶馬、通用、奧迪、克萊斯勒、戴姆勒、保時(shí)捷和大眾等汽車品牌已經(jīng)接受該新充電器已經(jīng)其新接口,預(yù)計(jì)未來(lái)還將有更多的汽車廠商加入。新接口大大提高了充電效率,有關(guān)電動(dòng)汽車普及意義極大。有關(guān)頻繁??壳议L(zhǎng)期運(yùn)行的公共汽車而言,每次充電時(shí)間將更短,讓我們來(lái)看看ABB公司的瞬間充電技術(shù)。十五秒瞬間充電技術(shù)讓電動(dòng)公交車永不停轉(zhuǎn)ABB公司研發(fā)的這項(xiàng)新技術(shù),將被用于瑞士日內(nèi)瓦的大容量電動(dòng)汽車上,作為無(wú)軌電車系統(tǒng)供給最優(yōu)化(TOSA)試點(diǎn)項(xiàng)目的一部分。該技術(shù)能夠讓電動(dòng)公共汽車在上下客的時(shí)候就完成充電。據(jù)ABB公司所說(shuō),這種公共汽車在指定的地點(diǎn),能夠在15秒內(nèi)完成400千瓦的充電。這就使公共汽車在乘客上下車的時(shí)候就完成充電,而且在終點(diǎn)站充電3到4分鐘就能將電池完全充滿。ABB公司的首席技術(shù)官ClaesRytoft說(shuō)道:通過(guò)快速充電技術(shù),我們能夠?qū)π乱淮灰芸站€的電動(dòng)公共汽車進(jìn)行試點(diǎn)。這個(gè)項(xiàng)目將為更靈活、更廉價(jià)的公共交通基礎(chǔ)設(shè)施鋪平道路,而且將減少城市污染和噪音。
快速充電器使用了一種激光控制的手臂,將充電器連接到汽車的插座上,它能夠與公交車站點(diǎn)結(jié)合到一起。這種系統(tǒng)能夠使電動(dòng)公共汽車取代城市地區(qū)的有軌電車和地鐵系統(tǒng),而且在這個(gè)過(guò)程中能夠擺脫難看的架空電力線路。這個(gè)系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用于最優(yōu)化關(guān)鍵城市區(qū)域的高頻率公交車路線。由于為日內(nèi)瓦這個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目供應(yīng)的能量來(lái)自于水力發(fā)電,因此它被宣稱為一種零碳排放的解決方法。但是這種說(shuō)法并不準(zhǔn)確,因?yàn)橐恍┑貐^(qū)使用煤炭或者天然氣進(jìn)行發(fā)電。TOSA試點(diǎn)項(xiàng)目計(jì)劃使公共汽車在日內(nèi)瓦的機(jī)場(chǎng)和國(guó)際展覽中心之間運(yùn)行。電動(dòng)汽車作為環(huán)保新能源汽車,替代傳統(tǒng)燃油汽車是大勢(shì)所趨。煤碳、石油、天然氣等不可再生能源的日益短缺,新能源汽車的普及也顯得更加迫切。但在逐步普及、逐步成為主流的過(guò)程中仍要各種新技術(shù)的支持。我們希望在這些新技術(shù)的助推中,電動(dòng)汽車能早日進(jìn)入普通百姓家,給人們的生活帶來(lái)各多便利的同時(shí)也更加環(huán)保節(jié)能。