我國各種新能源汽車的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展趨勢

周建祥

摘 要 本文綜述了我國新能源汽車研發(fā)的必要性，并簡要介紹了4種常見的新能源汽車。分析了它們的各自的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展趨勢，最后指出了未來我國新能源汽車的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞 新能源汽車；鋰離子電池；燃料電池；生物燃料

中圖分類號(hào) F4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）172-0194-02

當(dāng)下，我國汽車保有量增長快速，一方面導(dǎo)致對(duì)石油的需求量大幅增長，自上世紀(jì)以來我國石油進(jìn)口依存度迅速上升，1993年尚處于原油凈出口國，1995年石油進(jìn)口依存度則變?yōu)?.3%，2007年達(dá)到49%[ 1 ]，2015年我國石油進(jìn)口量超越美國，達(dá)到740萬桶/日，成為世界上最大的石油進(jìn)口國[ 2 ]。另一方面汽車在生產(chǎn)和使用的過程中加重了環(huán)境污染，危及了人類的日常生活。2013年我國只有約1%的城市空氣質(zhì)量符合世界衛(wèi)生組織的標(biāo)準(zhǔn)，2014年國家減災(zāi)辦、民政部于正式將霧霾天氣列為自然災(zāi)情，2015年我國東北部、華北中南部、黃淮及陜西北部等地陸續(xù)出現(xiàn)重度污染天氣。因此迫于資源、環(huán)境的雙重壓力，開發(fā)節(jié)能環(huán)保的新能源汽車已成為我國汽車產(chǎn)業(yè)的必然選擇。按照動(dòng)力提供方式的不同，新能源汽車主要可分為充電式電動(dòng)汽車、燃料電池汽車、燃?xì)馄?、生物燃料汽車等類別分述如下。

1 新能源汽車的分類

1.1 充電式電動(dòng)汽車

充電式電動(dòng)汽車以蓄電池為動(dòng)力源，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，提供動(dòng)力。這種汽車具有結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小、排放少、能量轉(zhuǎn)換效率高、適用范圍廣等等優(yōu)點(diǎn)。但其缺點(diǎn)也較多，比如過分依賴充電設(shè)施，充電時(shí)間長，續(xù)駛里程短，電池壽命短、制造成本較高等，因而在商業(yè)化的過程中困難重重。目前，研制經(jīng)濟(jì)的、持久的、高效的電池是充電式電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵性問題，經(jīng)過20多年的研究發(fā)展，目前已開發(fā)出多種適用性較強(qiáng)的蓄電池，如早期的鉛酸電池、在混動(dòng)汽車中采用的鎳氫電池以及在當(dāng)前及以后有著極大發(fā)展空間的鋰離子電池等等。鋰的原子序數(shù)為3，是最輕的堿金屬元素，其化學(xué)特性十分活潑，易形成電荷密度很大的氦型離子結(jié)構(gòu)。鋰離子電池的儲(chǔ)能能力是在電動(dòng)自行車上廣為應(yīng)用的鉛酸電池的3倍，其在地殼中的蘊(yùn)藏量第27位，可利用資源較豐富，因此有很大的發(fā)展前景。

以目前應(yīng)用最為廣泛的磷酸鐵鋰電池為例，鋰離子電池的工作原理如下：整個(gè)電池以含鋰的磷酸鐵鋰作為正極材料，負(fù)極為碳素材料（常用石墨）。兩極之間為聚合物隔膜，一方面可分隔正負(fù)極，另一方面也是鋰離子在正負(fù)極往返的通道所在。當(dāng)對(duì)電池充電時(shí)，正極發(fā)生脫嵌，形成的鋰離子在電解液的幫助下，通過隔膜，進(jìn)入負(fù)極碳層的微孔中，同時(shí)正極產(chǎn)生的電子也會(huì)通過外電路向負(fù)極遷移。放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極碳層中脫嵌，又嵌回正極。

目前，歐洲、美國、日本等主要發(fā)達(dá)國家均斥巨資進(jìn)行鋰電池技術(shù)的研發(fā)，在中國由于國家新能源產(chǎn)業(yè)政策的推動(dòng)鋰離子電池制造業(yè)也得到了篷勃發(fā)展，各種鋰離子電池技術(shù)不斷涌現(xiàn)，生產(chǎn)商業(yè)化電動(dòng)汽車用鋰離子電池的企業(yè)更是達(dá)到300家之多，但是鋰離子電池的核心材料比如正負(fù)極材料、電池隔膜以及電解液卻“技不如人”，過度依賴進(jìn)口，因而生產(chǎn)成本難以下降，目前其價(jià)格3倍于鉛酸電池，因此，產(chǎn)品難以規(guī)模化生產(chǎn)。近幾年來，我國鋰離子電池核心技術(shù)取得巨大突破，所有關(guān)鍵性材料均初步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)生產(chǎn)，生產(chǎn)成本降幅較大，不少產(chǎn)品價(jià)格僅為剛面市的1/3左右，這與鉛酸電池相比，已形成明顯的性價(jià)比優(yōu)勢。鋰離子電池成本的下降，使得充電式電動(dòng)汽車的商業(yè)化規(guī)?；a(chǎn)不再是一句空話。

1.2 燃料電池汽車

在諸多的新能源汽車中，燃料電池汽車目前被公認(rèn)為是21世紀(jì)最核心的技術(shù)之一，可以說它對(duì)汽車工業(yè)發(fā)展的重要性，不亞于微處理器之于計(jì)算機(jī)業(yè)。燃料電池汽車直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過燃燒過程，不受卡諾循環(huán)的限制，能量利用率高達(dá)45%～70%，而火力發(fā)電和核電的效率大約在30%～40%；燃料電池汽車最終排放物為H2O，幾乎不排放氮氧化物和硫化物，CO2排放量遠(yuǎn)低于汽油的排放量（約其1/6）。

整車的核心部件燃料電池并不需要充放電的操作，在一定程度上它很類似于汽油汽車，直接將燃料（常用H2、甲醇等等小分子燃料）注入貯存箱，即可獲得動(dòng)力。根據(jù)所用電解質(zhì)類型的不同分為五個(gè)大類，分別為熔融碳酸鹽燃料電池、聚合物電解質(zhì)燃料電池、堿性燃料電池、磷酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池。目前在汽車工業(yè)中應(yīng)用的多為聚合物電解質(zhì)燃料電池，它以荷電的薄膜狀高分子聚合物作為電解質(zhì)，以離子交換的形式選擇性地傳導(dǎo)離子（H+，OH-），達(dá)到導(dǎo)電的目的[3]。工作時(shí)與直流電源相當(dāng)，陽極作為電池負(fù)極，燃料在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)；陰極作為電池正極，氧化劑在陰極發(fā)生還原反應(yīng)；反應(yīng)生成的離子通過隔膜在電池內(nèi)遷移，而電子則通過外電路對(duì)外做功輸出電能，整個(gè)體系形成回路。

燃料電池但其在商業(yè)化的過程中仍存在著一些困難與瓶頸急需解決，比如由于采用貴金屬催化劑鉑及造價(jià)高昂的全氟磺酸膜，因此生產(chǎn)成本極高；再如由于工作環(huán)境多為酸堿性較強(qiáng)的溶液，對(duì)部分元件具有一定的腐蝕性，因而耐久性較差。目前隨著非鉑催化劑及無氟耐久性膜材料研發(fā)的成功，生產(chǎn)成本呈下降趨勢，燃料電池汽車的市場普及率逐年上升。雖然以家用小汽車的形式進(jìn)入普通家庭尚有一段時(shí)間，但燃料電池大巴已經(jīng)完全可以產(chǎn)業(yè)化。目前，國外生產(chǎn)一輛燃料電池大巴造價(jià)約在400萬元左右，若引入其核心部件及技術(shù)，采用國內(nèi)人工生產(chǎn)，采用國內(nèi)輔件及包裝，可將其成本降至100萬元左右，這一價(jià)格已與傳統(tǒng)大巴接近，如果我國能搶占先機(jī)，與行業(yè)內(nèi)先進(jìn)的外企緊密合作，加快研發(fā)核心技術(shù)，假以時(shí)日，燃料電池大巴完全可能成為我國經(jīng)濟(jì)綠色增長的支柱產(chǎn)業(yè)。

1.3 燃?xì)馄?/p>

燃?xì)馄囀且砸夯蜌?、壓縮天然氣及氫氣為燃料的氣體燃料汽車。目前市場供應(yīng)以天然氣為主要燃料。與常規(guī)燃油汽車相比，燃?xì)馄嚨呐欧盼廴竞苄?，鉛，CO排放量減少90%左右，碳?xì)浠衔锱欧艤p少60%以上，氮氧化合物排放減少35%以上，且尾氣中無硫化物和鉛，因此它是一種較為實(shí)用的低排放汽車。此外這種汽車能大幅度降低使用成本，一方面由于目前天然氣的價(jià)格低于汽油及柴油，營運(yùn)過程中能使燃料費(fèi)用下降50%左右；另一方面由于發(fā)動(dòng)機(jī)采用天然氣做功，運(yùn)行平穩(wěn)、無積碳，發(fā)動(dòng)機(jī)壽命長、也無需頻繁更換火花塞及機(jī)油，維修費(fèi)用亦可下降50%以上。但它也有不少缺點(diǎn)，比如由于存有大量高壓系統(tǒng)使用的零部件，安全系數(shù)及密封性要求高；天然氣汽車動(dòng)力性比常規(guī)燃油下降約5%～15%；受到能源不可再生的約束限制；燃?xì)飧渍嫉孛娣e大等。

天然氣汽車工作時(shí)，高壓天然氣經(jīng)過減壓調(diào)節(jié)器減壓后送到混合器中，與凈化后的空氣混合后，利用傳感器、動(dòng)力閥和計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)混合氣的空燃比，以使燃燒更加充分，再經(jīng)化油器通道進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸燃燒做功。我國于1988年正式推行燃?xì)馄嚕嗖捎脷?油混動(dòng)改裝的形式，并于同年建造了第一座加氣站。發(fā)展迄今，我國已經(jīng)加氣站近千座，改造汽車數(shù)十萬輛。中國從對(duì)燃?xì)馄嚨耐茝V力度仍逐年上升，各大城市均有部署，可見目前以氣代油，是最切實(shí)可行的一條新能源汽車之路。

1.4 生物燃料汽車

生物燃料汽車的創(chuàng)新之處在于從農(nóng)林產(chǎn)品、工業(yè)廢棄物和生活垃圾中提取燃料，比如從玉米出發(fā)制備的汽車用乙醇燃料，利用回收食用油為源料獲得的生物柴油等等。生物燃料與傳統(tǒng)的石油燃料不同，它是一種可再生能源。近年來，生物燃料汽車得到了迅速發(fā)展，美國認(rèn)為生物燃替代汽油切實(shí)可行并將其列為國家重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目，目前使用生物柴油燃料的汽車己經(jīng)累計(jì)運(yùn)行1 600萬km；歐盟于2005年也推行法規(guī)，要求成員國2010年生物柴油消費(fèi)量從占交通運(yùn)輸油料總消費(fèi)量的2%提高到5.75%，2020年進(jìn)一步提高到占20%。生物燃料汽車降低了對(duì)石油的需求，且其運(yùn)行中的排放污染也大大降低，以常規(guī)燃油汽車相關(guān)數(shù)據(jù)為分母，生物燃料汽車尾氣中有毒物含量僅為10%，顆粒物約20%以下，CO和CO2排放量僅為10%，硫化物和鉛含量為0，同時(shí)，燃料燃燒較為徹底，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)要求低[4]。

盡管生物燃料有較多的優(yōu)點(diǎn)，但其發(fā)展遇到難以克服的瓶頸。第一，產(chǎn)能有限。在生物燃料汽車推行力度最大的美國，據(jù)有關(guān)資料顯示，即便將所有玉米和大豆都拿來制造生物燃料，也僅能滿足國家柴油需求量的6%和汽油需求量的12%。而玉米和大豆首先是糧食產(chǎn)品，只能將其少量產(chǎn)品用于生產(chǎn)生物燃料。在我國，若能將農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品秸桿加以利用，則將對(duì)生物燃料汽車的推廣有很大的促進(jìn)。第二，耗水量太大。生物燃料主要來源于農(nóng)業(yè)，每年農(nóng)業(yè)消耗掉的水資源高達(dá)70%，若將其產(chǎn)品大量用于制造燃料，往往是得不償失的。而我國是人均水資源擁有量位于世界后列，用大量的水換回少量燃料，只能說看上去很美，實(shí)際操作性較低。第三，存在與糧爭地的問題，生物燃料的推廣已經(jīng)造成美國和墨西哥玉米價(jià)格上漲，并可能導(dǎo)致發(fā)展中國家糧食短缺，因此有業(yè)內(nèi)人士指出使用糧食生產(chǎn)生物燃料是“反人類的罪行”。

2 結(jié)論

當(dāng)下，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)迎來了篷勃發(fā)展的大好機(jī)遇。但由于多數(shù)新能源汽車造價(jià)過高，許多關(guān)鍵技術(shù)還未完全攻克，而且配套基建設(shè)施遠(yuǎn)不足以支撐行業(yè)的發(fā)展，這些因素嚴(yán)重阻碣了新能源汽車行業(yè)的良性發(fā)展。從我國新能源汽車近幾年發(fā)展的態(tài)勢來看，目前還難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的量產(chǎn)。從價(jià)格方面來看，新能源汽車的造價(jià)普遍高于傳統(tǒng)汽車，如果國家不提高購車補(bǔ)助，很難提高民眾對(duì)新能源汽車的購買熱情。從技術(shù)角度來看，我國的電池、燃料等相關(guān)技術(shù)的研發(fā)才剛剛起步，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后歐美等發(fā)達(dá)國家。從配套設(shè)施角度來看，我國目前的配套設(shè)施基本處于空白狀態(tài)，比如很多城市未建設(shè)電動(dòng)車充電站，如果不能及時(shí)充電，電動(dòng)車無法前行，這給使用帶來不便。雖然在當(dāng)今中國新能源汽車的推廣困難重重，但從國家對(duì)汽車工業(yè)的發(fā)展部署來看，發(fā)展新能源汽車己經(jīng)被確定為汽車工業(yè)未來的發(fā)展方向。因此，我國汽車企業(yè)和相關(guān)科研機(jī)構(gòu)必須抓住機(jī)遇，在提高自身實(shí)力的同時(shí)，推動(dòng)我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]國務(wù)院發(fā)展研究中心產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究部，等.中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告（2009）[M].北京：社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社，2009.

[2]中國石油新聞中心.“中國成為最大石油進(jìn)口國”意味著什么[EB/OL].[2015-05-19（7）：59].http：//news.cnpc. com.cn/system/2015/05/19/001542111.shtml.

[3]Wang Y，Chen K S，Mishler J，et al. A review of polymer electrolyte membrane fuel cells： technology， applications， and needs on fundamental research. Applied Energy. 2011，88：981.

[4]啟斌.只是看上去很美 生物燃料汽車發(fā)展面臨瓶頸[EB/ OL].[2014-08-06（15）：5].http：//um.auto.sina.com. cn/news/2014-08-06/15057201.shtml.