電動(dòng)車(chē)的“芯”革命

在美國(guó)加州有些地方，特別富有如拉霍拉，或者特別高科技如山景城，人們只要行走在街上就仿佛能夠窺見(jiàn)未來(lái)的一隅。至少，是汽車(chē)工業(yè)的未來(lái)。在那些城鎮(zhèn)里，路上開(kāi)著的不是特斯拉就是尼桑聆風(fēng)（Leaf），要不然就是其他款式的電動(dòng)車(chē)。

不過(guò)，電動(dòng)車(chē)真的是汽車(chē)工業(yè)的未來(lái)嗎？摩根·斯坦利今年發(fā)布的一份報(bào)告讓許多人的篤定變成了懷疑：除了特斯拉的Model S之外，目前市面上的純電動(dòng)車(chē)無(wú)一例外地統(tǒng)統(tǒng)沒(méi)有達(dá)到市場(chǎng)預(yù)期目標(biāo)；盡管法國(guó)雷諾公司曾經(jīng)預(yù)言說(shuō)，等到2020年全球汽車(chē)銷(xiāo)量中將有10%是電動(dòng)車(chē)，然而照現(xiàn)在的情況來(lái)看，到時(shí)候電動(dòng)車(chē)能占據(jù)1%的市場(chǎng)就不錯(cuò)了。

北京的焦慮

究竟是什么讓電動(dòng)車(chē)撞上南墻？其實(shí)大家都知道，這都是所謂的“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(chē)的續(xù)航能力不足。

電動(dòng)車(chē)的擁躉們并不認(rèn)為這是一個(gè)很大的問(wèn)題。跟那些開(kāi)電動(dòng)車(chē)的司機(jī)們聊天，他們會(huì)告訴你，他們汽車(chē)的充電里程足以應(yīng)付日常駕駛。事實(shí)上，有些人開(kāi)玩笑說(shuō)，他們的電動(dòng)車(chē)?yán)锍獭坝肋h(yuǎn)足夠”，因?yàn)樗緳C(jī)會(huì)根據(jù)車(chē)型、電量、旅程長(zhǎng)短而調(diào)整自己的駕駛風(fēng)格。

他們會(huì)舉出一系列數(shù)字告訴你：研究表明，現(xiàn)今七至八成的城鎮(zhèn)司機(jī)每天通勤和日常出行開(kāi)車(chē)?yán)锍滩怀^(guò)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。在這種情況下，RAV4 EV所代表的主流電動(dòng)車(chē)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(kāi)始暢想電動(dòng)車(chē)取代汽油車(chē)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(chē)的電池容量問(wèn)題卻不像美國(guó)加州那些司機(jī)們說(shuō)得那樣簡(jiǎn)單。在這里，“里程焦慮”不僅僅是媒體和不明真相的群眾杞人憂(yōu)天的說(shuō)法。

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(kāi)著一輛豐田RAV4 EV出門(mén)，根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署評(píng)測(cè)，它在充滿(mǎn)電的情況下最多能開(kāi)103英里（約合165公里），理論上足以應(yīng)付這段里程。不過(guò)，你今天中午還開(kāi)車(chē)出去吃了餐飯，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(chē)，于是你發(fā)現(xiàn)，你還有2公里才到家，而你的車(chē)已經(jīng)徹底沒(méi)電了。

又或者，你跟家人一起去昌平的溫泉鎮(zhèn)泡溫泉，為了保證里程，你打算在那里順便充電。但遺憾的是，當(dāng)你開(kāi)到酒店，才發(fā)現(xiàn)那里沒(méi)有充電樁，于是你只能用家用充電頭充電，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)，8個(gè)小時(shí)下來(lái)，電量只增加了20%——這款車(chē)的充電時(shí)間非常長(zhǎng)，如果采用家庭110V或者220V電源，需要44個(gè)小時(shí)才能充滿(mǎn)。即使采用豐田出售的配套充電站，也需要5個(gè)小時(shí)左右。這也就意味著人們不可能指望能夠像加油一樣沿途充電。當(dāng)然，你更不可能像對(duì)待手機(jī)電池一樣多帶一塊備用，因?yàn)橐粋€(gè)電池組的重量已經(jīng)達(dá)到了380公斤。

這是非?，F(xiàn)實(shí)的問(wèn)題：隨著房?jī)r(jià)的攀升，有越來(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”；然而，又因?yàn)檫@些人居住的地方公共交通不夠發(fā)達(dá)，所以他們才是北京私家車(chē)通行的主力軍。

特斯拉革命

盡管有專(zhuān)家認(rèn)為120英里（約合193公里）的續(xù)航里程已經(jīng)足夠，然而對(duì)于電動(dòng)車(chē)來(lái)說(shuō)，理想的狀況依然是要達(dá)到與汽油車(chē)相媲美的公里數(shù)，亦即500公里左右。這個(gè)數(shù)字看來(lái)不大，然而市面上卻僅有一款車(chē)能勉強(qiáng)達(dá)到，而那恰恰就是被摩根·斯坦利認(rèn)定為唯一達(dá)到了市場(chǎng)預(yù)期的車(chē)型——特斯拉Model S。

Model S的電池采用松下提供的鎳鈷鋁電池，整個(gè)電池組包含約8000塊電池單元。單顆電池的容量為3100毫安時(shí)。這種電池容量和內(nèi)阻在1000次充放電后都保持著相對(duì)穩(wěn)定的水平。又因?yàn)殁捤徜囯姵啬芰棵芏却?，但穩(wěn)定性較差，為此Tesla研發(fā)了3級(jí)電源管理體系來(lái)確保電池組正常運(yùn)作。這樣的電池組具有極大的容量。

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(chē)行駛300英里（約合482公里），足以滿(mǎn)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SuperCharger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(chē)充電，可以在30分鐘內(nèi)為Model S充好能夠開(kāi)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(kāi)設(shè)了94座這樣的充電站，并且將在明年之內(nèi)將這個(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(chē)有能與汽油車(chē)相媲美的續(xù)航能力，亦可以像汽油車(chē)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(chē)取代汽油車(chē)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(shū)》的統(tǒng)計(jì)，美國(guó)新車(chē)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。

而且，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(lèi)產(chǎn)品，但考慮到跑同樣里程的汽油車(chē)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，就成為了電動(dòng)車(chē)是否能夠真正成為汽車(chē)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（由于電池組還包括外殼、冷卻系統(tǒng)及支架等附件重量，所以特斯拉的電池組能量密度只有125Wh/kg左右），這已是電動(dòng)車(chē)電池行業(yè)的不二王者。然而，電動(dòng)車(chē)想要取代燃油車(chē)，至少需要達(dá)到700Wh/kg的能量密度。

也就是說(shuō)，鋰離子電池就顯然不可能是合適的選擇。

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(mén)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，比起特斯拉電池的125Wh/kg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)該完全滿(mǎn)足能電動(dòng)車(chē)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在致力于攻堅(jiān)鋰空氣電池。

這種電池的工作原理也并不復(fù)雜：在放電過(guò)程氧分子與鋰離子結(jié)合形成過(guò)氧化鋰；而在隨后的充電過(guò)程中，過(guò)氧化鋰進(jìn)行可逆分解，產(chǎn)生氧氣，達(dá)到一種“循環(huán)呼吸”的效果。然而，科學(xué)家們卻面臨著兩大問(wèn)題——充放電效率和電池壽命。

先說(shuō)充放電效率。由于鋰空氣電池的工作原理就是一個(gè)不斷進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，而化學(xué)反應(yīng)是需要時(shí)間的，如果速度太慢的話(huà)，電池在充放電過(guò)程中的能量損失就會(huì)很高。在很長(zhǎng)一段時(shí)間中，鋰空氣電池的放電效率都非常低，最高紀(jì)錄也只有70%。

然后是電池壽命，在整個(gè)充放電的循環(huán)過(guò)程中，鋰空氣電池要求有穩(wěn)定的電極和電解質(zhì)環(huán)境，但金屬鋰又是一種非?；钴S的物質(zhì)，尤其是遇到水的時(shí)候，特別容易發(fā)生變化。所以，空氣中的濕氣會(huì)常常腐蝕電池里的鋰，在幾次充放電循環(huán)之后，鋰空氣電池就徹底無(wú)法使用了，這當(dāng)然也不符合商用要求。

為了解決這些問(wèn)題，科學(xué)家們各出奇招，在催化劑上做工夫，又將電解液材料、電極材料和電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試。目前，最先進(jìn)的鋰空氣電池已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)500次循環(huán)充電，而且充放電效率也超過(guò)90%。

很顯然，對(duì)于電動(dòng)車(chē)行業(yè)來(lái)說(shuō)，如果誰(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(chē)公司已經(jīng)明確押寶于此，他們公開(kāi)宣稱(chēng)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(chē)。作為電動(dòng)車(chē)行業(yè)的領(lǐng)跑者，特斯拉也在開(kāi)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(zhuān)利，顯示他們已經(jīng)開(kāi)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(chē)行駛達(dá)到400英里（約合650公里）。

盡管有專(zhuān)家認(rèn)為120英里（約合193公里）的續(xù)航里程已經(jīng)足夠，然而對(duì)于電動(dòng)車(chē)來(lái)說(shuō)，理想的狀況依然是要達(dá)到與汽油車(chē)相媲美的公里數(shù)，亦即500公里左右。

豐田的實(shí)驗(yàn)

汽車(chē)業(yè)界巨擘豐田公司所選擇的方向，卻與大眾跟特斯拉不一樣。這家在2011年與特斯拉簽訂1億美元合作協(xié)定的公司，在2014年5月做出決定，不再延續(xù)與特斯拉進(jìn)行電動(dòng)車(chē)項(xiàng)目合作，而是將金錢(qián)和目光都轉(zhuǎn)向燃料電池汽車(chē)。

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。盡管，按照前通用研發(fā)部門(mén)負(fù)責(zé)人拉里·布恩斯的說(shuō)法，燃料電池亦是電池技術(shù)的一種，所以燃料電池汽車(chē)也依然屬于電動(dòng)車(chē)范疇。

比起目前還是實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品的鋰空氣電池來(lái)說(shuō)，燃料電池在汽車(chē)工業(yè)的應(yīng)用歷史就長(zhǎng)得多了。豐田從2002年起就已經(jīng)嘗試發(fā)售過(guò)燃料電池混合動(dòng)力汽車(chē)“豐田FCHV”，并且在此后不斷在生產(chǎn)中進(jìn)行技術(shù)迭代，因而在商業(yè)化上有著天然的優(yōu)勢(shì)。

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(kāi)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(chē)FCV-R亦是絕佳證明。根據(jù)豐田提供的資料，這款新車(chē)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(guò)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(chē)的水平。

然而，燃料電池的問(wèn)題在于，其最大輸出功率不足，也就是說(shuō)，燃料電池車(chē)開(kāi)不快。豐田公司說(shuō)，F(xiàn)CV-R的最大輸出功率將是FCHV的兩倍，至少也在100kW以上。但這樣的數(shù)字事實(shí)上依然低于豐田自己的鋰離子電池動(dòng)力車(chē)RAV4 EV（154kW），而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Model S（310kW），比起燃油車(chē)來(lái)說(shuō)差距更遠(yuǎn)。另外，在動(dòng)力扭矩輸出也就是汽車(chē)加速性能上，燃料電池汽車(chē)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(chēng)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倍之多——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)。這款車(chē)的電池是24千瓦的電容量，稍微估算一下就知道，新技術(shù)能讓特斯拉S型電動(dòng)車(chē)的85千瓦電池在42分鐘內(nèi)完成充電。

當(dāng)前的鋰離子電池技術(shù)，普遍采用了金屬作為正極，用石墨等碳元素材料作為負(fù)極。然而，Power Japan研發(fā)的碳電池卻是在正負(fù)極上均采用了碳元素，因而被稱(chēng)為“雙碳電池”。盡管Power Japan并未透露太多的技術(shù)細(xì)節(jié)，只是說(shuō)對(duì)碳晶體納米材料進(jìn)行了改造，然而他們同時(shí)披露，他們已經(jīng)利用18650電池（市面上大多數(shù)筆記本電腦和電動(dòng)車(chē)用的就是這種電池）的電芯基礎(chǔ)上制造出新的雙碳電池，也就是說(shuō)，這種電池的能量密度將不低于任何鋰電池，而且由于碳元素成本低于金屬成本的緣故，其造價(jià)會(huì)比原有鋰電池更低。

該公司同時(shí)指出，在采用雙碳性電池技術(shù)后，18650電池的充放電次數(shù)比前者多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(chē)10年以上的電池壽命。更可怕的是，Power Japan還聲稱(chēng)，在充放電過(guò)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(huà)，它對(duì)電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)的影響卻不會(huì)遜色太多。因?yàn)?，這款電池不僅突破了充電困難這樣一個(gè)巨大的技術(shù)瓶頸，還十分有利于投入市場(chǎng)——根據(jù)Power Japan的說(shuō)法，他們所需要的碳材料利用現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝就能實(shí)現(xiàn)，而且生產(chǎn)模式也跟目前18650電池相同。

誰(shuí)將成為未來(lái)電動(dòng)車(chē)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(chē)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)，讓電動(dòng)車(chē)在占領(lǐng)未來(lái)市場(chǎng)的道路上走得更堅(jiān)定一點(diǎn)。