電動(dòng)車的“芯”革命

蘇化語(yǔ)

在美國(guó)加州的某些地方，如富有的拉霍拉、高科技的山景城，人們只要行走在街上，仿佛就能夠窺見汽車工業(yè)的未來(lái)。在那些城鎮(zhèn)里，路上行駛著的不是特斯拉就是尼桑聆風(fēng)，再者就是其他款式的電動(dòng)車。不過，電動(dòng)車會(huì)成為汽車工業(yè)的未來(lái)嗎？著名投行摩根·斯坦利今年發(fā)布了一份報(bào)告：除了特斯拉的Model S之外，目前市面上的純電動(dòng)車無(wú)一例外地統(tǒng)統(tǒng)沒有達(dá)到市場(chǎng)預(yù)期目標(biāo)，從目前來(lái)看，到2020年電動(dòng)車能占據(jù)全球汽車市場(chǎng)的1%就不錯(cuò)了。

北京的焦慮

究竟是什么讓電動(dòng)車撞上了南墻？其實(shí)是所謂的“里程焦慮”在作祟。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是人們擔(dān)心電動(dòng)車的續(xù)航能力不足。

美國(guó)電動(dòng)車的擁躉們并不認(rèn)為這是一個(gè)很大的問題。他們會(huì)告訴你：如今七至八成的城鎮(zhèn)司機(jī)每天通勤和日常出行開車?yán)锍滩怀^150公里，而美國(guó)人的平均每日駕駛里程更是僅為50公里左右，現(xiàn)在的主流電動(dòng)車已經(jīng)具有足夠的續(xù)航能力。

在地球的另一邊，北京霧霾最嚴(yán)重的日子，人們也開始暢想電動(dòng)車取代汽油車的未來(lái)——在方便出行的同時(shí)，亦能擁有藍(lán)天白云，那將多么美好？然而，在北京這樣巨大的城市里，電動(dòng)車的電池容量問題卻不像美國(guó)加州那些司機(jī)們說(shuō)得那樣簡(jiǎn)單。

想象一下這樣的場(chǎng)景：你住在燕郊，在五棵松上班，每天往返里程合計(jì)約為120公里。你開著一輛主流電動(dòng)車出門，根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署評(píng)測(cè)，它在充滿電的情況下最多能開103英里（約合165公里），理論上足以應(yīng)付這段里程。不過，你今天中午還開車出去吃了飯，回家路上遇到交通管制繞了一大圈，然后還遇上了嚴(yán)重的大塞車，于是你發(fā)現(xiàn)，你還有2公里才到家，而你的車已經(jīng)徹底沒電了。

這是非?，F(xiàn)實(shí)的問題：隨著房?jī)r(jià)的攀升，越來(lái)越多在北京上班的人選擇住到通州、燕郊、昌平或大興等郊區(qū)，他們的通勤里程奇高，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了所謂的“平均水平”。

特斯拉革命

盡管有專家認(rèn)為120英里（約合193公里）的續(xù)航里程已經(jīng)足夠，但對(duì)于電動(dòng)車來(lái)說(shuō)，理想的狀況依然是要達(dá)到與汽油車相媲美的公里數(shù)，亦即500公里左右。這個(gè)數(shù)字看起來(lái)不大，然而市面上卻僅有特斯拉Model S達(dá)到了市場(chǎng)預(yù)期。

Model S具備三種不同的電池組規(guī)格，容量分別為40千瓦時(shí)、60千瓦時(shí)、85千瓦時(shí)。其中，85千瓦時(shí)的電池組可供汽車行駛300英里（約合482公里），足以滿足大多數(shù)人的需要。

為了配合Model S的高效電池組，特斯拉還在全球各地布置Super Charger充電站。這種充電站采用高壓充電技術(shù)，以120kW的功率為電動(dòng)車充電，可以在30分鐘內(nèi)為Model S充好能夠開170英里（約合273公里）的電量。根據(jù)特斯拉官網(wǎng)提供的信息，他們已經(jīng)在北美開設(shè)了94座這樣的充電站，并且將在明年之內(nèi)把這個(gè)數(shù)字提高到300座以上，讓人們得以實(shí)現(xiàn)東西兩岸之間的長(zhǎng)途駕駛。

特斯拉的布局已經(jīng)相當(dāng)完整：電動(dòng)車有能與汽油車相媲美的續(xù)航能力，亦可以像汽油車一樣輕松補(bǔ)充能量，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)途旅行。按照這個(gè)發(fā)展勢(shì)頭，電動(dòng)車取代汽油車也很有可能。然而，在理想與現(xiàn)實(shí)之間，仍有一個(gè)巨大的障礙，那就是價(jià)格。

為了實(shí)現(xiàn)超大電量，Model S的售價(jià)也相當(dāng)高昂，85千瓦時(shí)版本在美國(guó)售價(jià)為93400美元，即使是抵扣掉7500美元的聯(lián)邦稅減免優(yōu)惠后，也要8萬(wàn)多美元;而根據(jù)2013年《凱利藍(lán)皮書》的統(tǒng)計(jì)，美國(guó)新車平均售價(jià)為32086美元，而且這都已經(jīng)超出了大多數(shù)美國(guó)家庭的負(fù)荷能力。

此外，即使是Model S的鎳鈷鋁電池，其電池組重量依然達(dá)到了1500磅（約合680公斤）。雖然儲(chǔ)能效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同類產(chǎn)品，但考慮到跑同樣里程的汽油車只需要50公升的油，兩者之間依然有著巨大差距。于是，能否進(jìn)一步提高電池能量密度，以及盡可能減少成本，就成了電動(dòng)車是否能夠真正成為汽車工業(yè)未來(lái)的關(guān)鍵。

如果電池能呼吸

所謂能量密度，就是單位體積中包含的能量，單位是Wh/kg。我們知道，汽油的能量密度在13000Wh/kg左右，而現(xiàn)今世界上最好的鋰離子電池的能量密度也僅為300Wh/kg左右，而特斯拉的電池單元能量密度預(yù)測(cè)在250Wh/kg左右，這已是電動(dòng)車電池行業(yè)的不二王者。然而，電動(dòng)車想要取代燃油車，至少需要達(dá)到700Wh/kg的能量密度。

如何造出更好的電池呢？無(wú)非是在正極、負(fù)極和電解質(zhì)等材料上做文章。比如說(shuō)，特斯拉的鎳鈷鋁電池，就是采用了鎳鈷鋁三元正極材料。為了更好地利用不同的復(fù)合材料，研究者們不僅要找出能用的材料，還要發(fā)現(xiàn)它們?yōu)槭裁茨苡?，以及它們是怎樣使用的，亦即，電子如何圍繞這些材料而運(yùn)作。

如今最熱門的前沿項(xiàng)目是鋰空氣電池。鋰空氣電池的理論能量密度為5200Wh/kg，比起特斯拉電池來(lái)說(shuō)高了一個(gè)數(shù)量級(jí);如果不計(jì)算氧氣重量，其理論能量密度更是高達(dá)11680Wh/kg，這就堪比汽油了。就算考慮到理論值和實(shí)際值的差距，也應(yīng)該完全能滿足電動(dòng)車的需求。這樣的潛力當(dāng)然讓研究者們感到十分興奮，現(xiàn)在全球至少有上千家研究所正致力于攻堅(jiān)鋰空氣電池。

很顯然，對(duì)于電動(dòng)車行業(yè)來(lái)說(shuō)，誰(shuí)能最先掌握商用鋰空氣電池技術(shù)，誰(shuí)就能夠最快占據(jù)市場(chǎng)。大眾汽車公司已經(jīng)明確押寶于此，他們公開宣稱要在2020年實(shí)現(xiàn)鋰空氣電池的量產(chǎn)化，并預(yù)期打造出一款續(xù)航里程高達(dá)800公里的超級(jí)電動(dòng)車。作為電動(dòng)車行業(yè)的領(lǐng)跑者，特斯拉也在開發(fā)金屬空氣電池。此前該公司曾被媒體披露擁有一項(xiàng)最新的專利，顯示他們已經(jīng)開發(fā)了一種由鋰離子和金屬空氣（鋰空氣或者鋁空氣）電池組成的電池組，充一次電可以讓汽車行駛達(dá)到400英里（約合650公里）。

豐田的實(shí)驗(yàn)

汽車業(yè)界巨擘豐田公司所選擇的方向，卻與大眾和特斯拉不一樣，其將金錢和目光都轉(zhuǎn)向燃料電池汽車。

所謂燃料電池，就是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電池。它可以是氫燃料電池，也可以是生物燃料電池。從表面上來(lái)看，它也像普通電池一樣有正極、負(fù)極和電解質(zhì)等等，但事實(shí)上，它卻不是一個(gè)蓄電池，而是一個(gè)發(fā)電裝置，所以燃料電池汽車也依然屬于電動(dòng)車范疇。

燃料電池最大的優(yōu)勢(shì)在于體積小、分量輕但儲(chǔ)能很高。今年年初，弗吉尼亞理工大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)就曾開發(fā)出一種“糖能燃料電池”，能量密度達(dá)到了鋰離子電池的10倍。豐田公司預(yù)計(jì)在2015年左右上市的燃料電池車FCV-R亦是絕佳證明。根據(jù)豐田提供的資料，這款新車將有著至少500公里的續(xù)航能力，而且加燃料時(shí)間不會(huì)超過3分鐘，綜合來(lái)看，這樣的表現(xiàn)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于特斯拉Model S，已經(jīng)達(dá)到了燃油車的水平。

然而，燃料電池的問題在于，其最大輸出功率不足，也就是說(shuō)，燃料電池車開不快。另外，在動(dòng)力扭矩輸出也就是汽車加速性能上，燃料電池汽車也有著天然的弱勢(shì)。

充電效率提高20倍

除了提高能量密度之外，如何提高充電效率，也是研究者們的攻堅(jiān)重點(diǎn)之一。

最近，有一家名為Power Japan的日本公司宣稱他們和日本九州大學(xué)的研究人員們一起研發(fā)了一種碳電池，能夠?qū)㈦姵爻潆娦侍岣?0倍——他們能夠讓一輛尼桑聆風(fēng)在12分鐘內(nèi)完成充電，而不是以前的4小時(shí)。

據(jù)悉，Power Japan研發(fā)的碳電池在正負(fù)極上均采用了碳元素，因而被稱為“雙碳電池”，這種電池的能量密度將不低于任何鋰電池。

該公司同時(shí)指出，在采用雙碳性電池技術(shù)后，電池的充放電次數(shù)比鋰離子電池多20次，釋放的電量也比鋰離子電池單體多4伏特。而且，在測(cè)試中，其充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)3000次，足以維持電動(dòng)車10年以上的電池壽命。Power Japan還聲稱，在充放電過程中，這種電池的溫度不會(huì)發(fā)生太大變化，大大減少了爆炸或起火的危險(xiǎn)。

我們可以看到，盡管雙碳電池的潛力不像鋰空氣電池那樣巨大，但如果驗(yàn)證為真的話，它對(duì)電動(dòng)車市場(chǎng)的影響也不會(huì)遜色太多。

誰(shuí)將成為未來(lái)電動(dòng)車行業(yè)的霸主，哪種技術(shù)會(huì)成為新的主流，現(xiàn)在的我們都不得而知。對(duì)于電動(dòng)車行業(yè)來(lái)說(shuō)，任何革命都會(huì)帶來(lái)一個(gè)突破的契機(jī)，從而讓電動(dòng)車在占領(lǐng)未來(lái)市場(chǎng)的道路上走得更加堅(jiān)穩(wěn)。