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。但就現(xiàn)階段而言，困擾電動(dòng)車普及的問題除了速度、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)。
盡管眼下我們用來給電動(dòng)汽車供能的鋰離子電池一直以來也都在改進(jìn)，但一種流傳很久的說法是，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。正如美國前能源部部長朱棣文所言，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)勢登場。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)表于美國化學(xué)學(xué)會(huì)（ACS）期刊《納米快報(bào)》（Nano Letters）的論文（《用原位透射電鏡觀察過氧化鋰電化學(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)中首次觀察到了過氧化鋰（Li2O2）的氧化。過氧化鋰是鋰-空氣電池放電過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物。觀察顯示，過氧化鋰主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)電子通過碳納米管時(shí)，放電時(shí)形成的過氧化鋰又會(huì)逐漸縮小。這意味著，如果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的道路，也不失為明智之舉。
如果說，鋰-空氣電池還只是處于理論研究當(dāng)中，或許還需要漫長的等待時(shí)間。那我們不妨來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，美國能源部下屬的橡樹嶺國家實(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)導(dǎo)者梁誠督（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)心的易燃問題。”
幾十年來，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，這一溶解過程會(huì)使電池過早地被損壞。
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。
測試結(jié)果表明，新電池在60攝氏度的溫度下，經(jīng)過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，就有人開始研發(fā)鋰硫電池，最近幾年，國內(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，其研究還有較長的路要走，比如還需要進(jìn)一步增加循環(huán)次數(shù)，并且該電池的能量密度和功率密度還需要進(jìn)一步的提升才能滿足電動(dòng)汽車市場的需要。
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)間過長的問題。
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，美國電動(dòng)汽車制造商特斯拉到計(jì)劃今年年底前，在美國組建成一個(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)量增加后，無疑將受到電動(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，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：“人們在購買汽車時(shí)，他們也是在購買一種自由自在的理念，即他們能夠前往任何地方而沒有后顧之憂。”
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)，充電過程免費(fèi)。業(yè)界人士認(rèn)為，如果該超級(jí)充電站網(wǎng)絡(luò)確實(shí)能夠像馬斯克所說那樣得以快速發(fā)展，則無疑將給其客戶帶來諸多便利。
接下來，我們看看沃爾沃的電動(dòng)路概念。
電動(dòng)路：讓電動(dòng)車擺脫電池
對(duì)于頻繁?？康拈L途貨車和客車，固定?？奎c(diǎn)充電站的作用有媽。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)車發(fā)出特定的加密信號(hào)時(shí)，電動(dòng)車下的那段電纜才會(huì)產(chǎn)生電流。
作為附加的安全措施，只有當(dāng)電動(dòng)車速度高于60 km/h才會(huì)有電流產(chǎn)生。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，視覺效果也不好。
有了充電站，接下來的要解決的問題就是充電時(shí)間過長。如果電動(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
日前來自國外汽車工程學(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，它主要是改變了傳統(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。相對(duì)于以前的充電方式來說，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)未來還將有更多的汽車廠商加入。
新接口大大提高了充電效率，對(duì)于電動(dòng)汽車普及意義極大。對(duì)于頻繁停靠且長期運(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，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Claes Rytoft說道：“通過快速充電技術(shù)，我們能夠?qū)π乱淮恍枰芸站€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)的能量來自于水力發(fā)電，因此它被宣稱為一種“零碳排放”的解決方案。但是這種說法并不準(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)場和國際展覽中心之間運(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、逐步成為主流的過程中仍需要各種新技術(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，給人們的生活帶來各多便利的同時(shí)也更加環(huán)保節(jié)能。
