報告|新能源創新階段總結，汽車電池成本與耐久性PK
日期：2024-11-29 19:35:17 作者：宏力精密鋼管 閱讀數：315《電化學學會會志》日前發表了一篇可免費獲取的綜述性文章，來自汽車技術公司和大學的專業人士深入探討純電動汽車電池組和質子交換膜燃料電池存在的技術壁壘。
到2020年，歐洲范圍的法規要求車輛每行駛一公里的二氧化碳排放量控制在95克，只有那些利用可再生能源(風能、太陽能等)的增程混合動力汽車和純電動汽車能達到這樣的標準。根據其他的研究發現，如果不增加可再生能源發電量的比例，唯一能夠滿足二氧化碳排放標準的車型是電池組驅動的純電動汽車，即便是電解過程(化學反應所需能量由供電電網或天然氣提供)生成的氫氣也超過該目標值。
理論上來說通過使用可再生電能，增程混合動力車型在純電動模式下，續航里程超過64公里就能夠滿足二氧化碳排放標準;而純電動模式下的驅動方式，可以從電池組供能和氫氣燃料電池驅動系統中進行選擇。包括豐田在內的多家汽車制造廠商都已經開始投入純電動汽車研發中，其中電池組驅動的純電動汽車是短距離出行最合適的方式，而燃料電池電動汽車更適合于單次較長的行駛距離。
不論電池組驅動的純電動汽車，還是燃料電池電動汽車，都存在成本和耐久性挑戰，依然需要突破性的革新技術早日出現。主要的技術難點包括以下幾點。
雖然工程師們在鋰離子電池組上花費了大量的研究和開發精力，但是比能明顯超過0.25千瓦時/千克的電池系統至今都沒能實現。因此對于中型車市場而言，基于鋰離子電池組驅動的純電動汽車單次充電續航里程超過300公里暫時還沒有理論可能，即便有相關產品問世，價格也是一般消費者難以承受得起的。
以鋰作為基礎的鋰/空氣或者鋰/氧氣電池系統，目前缺乏穩定的電極組件和電解質材料，無法保證在充放電循環過程中氧氣的再生還原率達到100%。所以未來的基礎研究和材料開發中，要對鋰/氧氣電池的可行性展開進一步的驗證。如果實用性得到確認，批量化生產的鋰/氧氣電池系統比能將有所提升，但是相比于傳統鋰離子電池組(使用硅/碳合成陽極和HE-NMC、NMC811、NCA陰極)，優化程度最多達到1.5倍。
鋰/硫電池組很難獲得理想的比重能量密度，近些年汽車工業的理念開始改變，越來越重視比體積能量密度，而不是單純的比重能量密度。無論采用何種電極材料，鋰/硫電池組可達到的比體積能量密度都大幅度低于傳統鋰離子電池組。為了使得電池單元的比重能量密度具有競爭力，鋰/硫電池組需要相當大的表面積容量(大于4毫安時/平方厘米)和非常高的陰極硫含量(大于60%)。這種使用硅陽極的鋰/硫電池組單元比能量密度達到350到400瓦時/千克，最高效能是傳統鋰離子電池組的1.3倍。
在比體積能量密度方面，鋰/硫電池組單元完全比不上傳統鋰離子電池組。但是考慮成本因素，鋰/硫電池組可能有一定優勢，因為提高生命周期和安全性的附加部件(擴散膜等)價格相對較低。如果固體電解質界面膜被研發出來阻止電解液的持續消耗，應用硅材料取代金屬鋰作為陽極材料，將有可能提高能量密度和延長生命周期。鋰/硫電池組的硅陽極依然是一個開放性問題，涉及到怎樣與鋰相兼容，方法包括工業可行的預處理鋰化工藝，或者用硫化鋰代替硫陰極。
在過去的十年中，氫氣燃料電池得到了非常大的進步。陰極高活性催化劑理念正將每輛燃料電池汽車的鉑金使用量縮減到10克以下。脫合金化技術加工的新類型鉑/鋁催化劑展示了出色的電壓循環穩定性，達到美國能源部設定的標準。現在的挑戰是把先進的催化劑理念與高耐久性載體材料結合到一起，以便確保在整個汽車使用期限內燃料電池的性能表現。除此之外，低鉑金負載造成的質量傳輸損失還需要得到更詳細的理解，從而更好地降低損失量。燃料電池介質膜面臨的最主要挑戰是，發掘那些適用于高工作溫度和相對低濕度環境下的材料，幫助簡化系統設計、提高排熱效率以及減小空氣壓縮機的能量損失。