解读|全面解读新能源汽车电池技术的发展历程和趋势

高端碳材料

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新能源汽车之所以能够发展起来无外乎各国政府政策的支持,但更大的原因在于人们对于环保意识的觉醒。大家都知道燃油车对于环境的危害是巨大的,尤其在如今燃油车数量不断增加的情况下,新能源汽车的出现是汽车行业发展的必然。制约新能源汽车发展的最大因素并不是配套设施,设施只要有着资金的投入是可以轻而易举的完成的。最主要的因数在于新能源汽车发展技术以及人们的认可程度,还有新能源汽车是否真的环保,否则发展这一切也就失去了意义。


市面上流行的新能源汽车主要有以下4种类型,纯电动汽车,插电式混合动力,混合动力,氢燃料汽车四大类。对于这几款车型而言,并不意味着谁淘汰谁的问题,也不存在谁优谁劣的情况,而是在不同的地区市场会有不同的表现。而在中国,出于对环境保护的需要,在各个发展领域都有涉及。但新能源汽车的发展归根结底在于电池技术的发展,不管是哪种车型都是依赖于电池技术。

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铅酸电池

纯电动汽车最早使用的是铅酸电池,铅及其氧化物制成作为电极材料,硫酸溶液作为电解液,这是现在大部分电动自行车的动力源,低成本是其最大的优势。不过,因为铅酸电池的能量密度低,从而带来了体积大、容量小等问题,无法满足一台汽车对于自重的控制、驱动力的消耗,乃至每年超过1万公里行程的使用寿命,所以无法大规模用于量产车上,最终被汽车厂商淘汰。

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镍氢电池

镍氢电池与我们的日常生活很近,从早期的随声听到现在的充电牙刷等小型电器很常见,正极为镍氢的化合物,负极为金属氢化物,其能量密度、充放电次数相比铅酸电池有不小的提升,并且电解液不可燃、安全性有保障,制造工艺成熟,比亚迪在造车之前就是全球第二大的镍氢电池制造商。不过,因为镍氢电池充电效率一般、有充电有记忆效应、工作电压较低(无法使用高压快充),并不适用于汽车的单一动力源,适合辅助发动机工作。后来随着锂电池的广泛推行,逐渐退出了汽车领域。

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锂电池

锂电池正是现阶段新能源车的主流选择,锂的化合物(锰酸锂,磷酸铁锂等)作为电极材料,石墨作为负极材料,其优势在于能量密度高、体积小、重量轻、充电效率高。决定锂电池类型或者说性能的主要因素,在于电池两极的材料,其中正极的材料是现阶段的关键,如主流的磷酸铁锂、三元材料中的钴酸锂、镍钴锰等,在容量、成本、低温充放电、安全性等多个维度上存在差异。不过锂电池受气温的影响比较大,在冬季受气温影响续航里程只能达到平时的60、70%,严重受限。虽然一直采取相应的措施,但是效果并没有理想中那么好。

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上面是现有电池的种类,下面说一下未来电池的种类会是什么样的。

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氢燃料电池

大家都知道H2+O2燃烧最终得到的水,所以氢气是非常理想的清洁能源。就氢气本身来说,燃烧可以释放大量的能量、低温表现上佳,最重要的加氢的效率高,加氢只需5分钟就能行驶超过600公里,并且这个数据还有提升的空间,以上这些都要远远优于现有的锂电池。

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关于氢燃料电池车投入方面,日、韩两国的车企早就开始了研究,如今已经小范围投入到了各自国家的市场中,如笔者春节前试驾的现代NEXO氢燃料电池车,已经大量用于平昌冬奥会并上市销售。

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现代NEXO氢燃料电池车

而氢气这么好的能源,为什么不推广?因为以现在的技术获取氢气太难了。大家都学过电解水能得到氢气,但耗费电能去电解水,然后再烧氢气最终变成水,这个过程的用电量和损失还不如直接给锂电池充电,成本太高。而成本、工艺都比较合适的是从石油、天然气里提取,但量并不大,所以燃料电池车“只闻其名、难以推广”。

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石墨烯电池

对于未来新能源车的动力电池讨论,最靠谱、讨论最多的要属石墨烯电池了,将一些专业角度的解读“翻译”一下就是:用这种材料结合锂电池有两种使用方法,一是用石墨烯的复合材料作为锂电池的导电剂,二是直接用作负极,效果都是增加锂电池的活性,从而提升电动车的续航里程、充电速度。

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石墨烯-碳化海绵锂氧电池

石墨烯电池可以有效解决锂电池的短板,产品特质与新能源车用户使用直接挂钩。这种材质的好处确实大,而且韩国三星也已经对外公布掌握了这项技术,但成本是一大瓶颈,石墨烯的获取不太容易,早期是用于航天领域的一种材料,何时、采用什么方式降低成本,将是这项优质产品“飞入寻常百姓家”的一大难题,各个汽车厂商都还没有公布在这方面发力的计划。

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石墨烯锂电池效果图

简单来说,纯电动车的工作原理是“充电直接用电”,氢燃料电池车则是H2+O2 “烧成”(化学反应)电能和水,相当于“烧氢”来发电。两种“电池”同样都是零排放,电动车锂电池能力密度更小、低温活性差影响续航,充电速度慢的问题,氢燃料电池完全没有,而且工作效率要高出不少,这正是氢被称为优质能源的原因。

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固态电池

固态锂电池顾名思义就是不再使用液态的电解液,采用固态电解质,其能力密度远超现在的主流的锂电池,这意味着纯电动车型更高、甚至达到节能型汽油车的续航里程,并且充电效率相比现阶段也有着质的飞跃,据悉装备固态电池的电动车,最理想化的充电速度可达到1分钟增加800公里,这可以说是新能源车的最佳核心部件。

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现阶段,一些海外的能源、科技企业,以及松下等电池制造商都开始了固态电池的研发,汽车厂商涉及这方面的只有丰田、本田以及日产三大日系车企,这源于日本国家层面的助推。从已经开始研究固态电池的各方计划来看,预计2020年将在成本、能量密度和生产制造方面有突破性进展。到2030年才能将这项研发成果落地、在新能源车领域广泛普及,即离我们还有些远,这也是各大车企发布2025年全球禁售燃油车的应对战略时,并未提及固态电池的原因。

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