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                                  電動汽車市場上進擊的二次電池與燃料電池
                                  發佈人:學工組  發佈時間:2019-05-21   瀏覽次數:10

                                  引言

                                  儘管早在 19 世紀就已入世,但電動汽車的推廣應用還只能追溯到近二十年間 。全球電動汽車的銷量由 2010 年不足萬輛逐步擡升至 2016 年的 77.4 萬輛,汽車的電動化目前被視作強力的去碳化路線,適用於幾乎所有路基的運輸與交通之中。不斷惡化的城市空氣質量也迫使許多國家傾向於禁售內燃機車(internal  combustion  engine  vehicles ,以下簡稱 ICEVs) ,取而代之的將會是電動汽車 。

                                  從一個技術性的視角來看 ,電車的持續性成功源自電化學儲能技術的進展  。鋰離子電池的質量能量密度從 90 年代的 90 Wh/kg一路爬升至現今的 250 Wh/kg,這一變化也使得它們有足夠的能量驅動正常體型的整車,在保證足夠的里程情況下馳騁路面。同時,鋰離子電池包的成本也從超過 1000 $/kWh 降至 250 $/kWh,這一價位也足以讓嚐鮮者們躍躍欲試。

                                  1. 依照國際能源署“2 度以上規劃設計的電動汽車累計銷量與市場份額的演化路線 。插圖爲至 2016 年的電車累計銷量,純電動汽車、插電式混合電動汽車與氫燃料電池電動汽車的數據都被計算在內  。

                                   

                                  1 所示爲電動汽車的累計銷售量與市場份額的演化路線  ,這個趨勢是嚴格依照國際能源署的設計願景(將全球溫升控制在 1.75 ℃)而計算出來的。

                                  按照這份藍圖,在相對遙遠的 2060 年 ,電動汽車的累銷量需要達到 18 億輛且市場份額需要突破 86 % ,然而這兩個關鍵指標在 2016 年還分別只是 200 萬輛與 0.2 %,這個數據也表明現在還是全球電車採購的石器時代,因此,後程的發力勢在必行。而且 ,2016 年的這個戰績還是在高強度的政策性補貼(如財政激勵、銷售授權、免費充電等等)下取得的。儘管這些政策可能只是爲了刺激更大的購買市場  ,但將它們升級到圖1所述的市場份額也可能帶來財政上的不可持續乃至負擔 。

                                  更何況,考慮到鋰離子電池在儲能容量、安全以及成本方面的固有上限 ,其針對每一個可能的機動車市場的適用性並不明晰。因此 ,能夠供給電車動力系統的備選技術就是一個研發重點  。

                                  本文中,我們將會評估二次電池與氫燃料電池改善電車性能以及降低電車成本的潛能 。我們首先羅列了三種還未被鋰電式電車過度滲透的機動車市場 ,然後論述了在這些領域內電車成功所需提升的能源特質  。接着 ,我們比對評估了五種普遍被視作新型電車供能的候選電池類型的性能。最後,我們爲包括氫燃料電池在內的每一類電池提供了簡要的狀況評估 ,並討論了每種技術在達成新興電車市場需求上的潛能  。

                                   

                                  新興電動車市場中的儲能壁壘

                                  下面,我們列舉了那些在長途運輸交通、低成本運輸交通以及高頻用運輸交通領域內未臻完美的儲能技術的特點。

                                    遠程運輸&交通

                                  行駛距離的不足,或者里程焦慮常被視作消費者購買電車意願消極的一大重要技術屏障。在美國,人們對大里程數的求之若渴或許是因爲相比其他發達地區他們偏好長途旅行卻對公共運輸口味冷淡。在一項 2016 年的調查研究中 ,有超過半數(54 %)的美國消費者將購買期望鎖定在至少超過 282 km 的續航能力上,超過 1/429 %)的消費者則鎖定在 604 km 的續航能力上 。在電車可以達到降低 1/3 燃油花費的基礎上 ,52 % 的消費者是無法接受高於燃油車 $5000 的價位,29 % 的消費者則無法接受高於燃油車 $1000 的價格 。

                                  2 示出了美國市場上唾手可得的電動汽車的價格溢價(與同尺寸汽車的平均價格相比)vs 駕駛里程關係。值得注意的是,一臺電動汽車要比同等尺寸其他汽車的均價貴上至少 $5000 ,這差價當然有製造產量與專用部件的因素 ,但是大部頭還是要歸因於電池的成本。

                                  美國消費者的里程相關的購買意願模型可以幫助將前述的消費者調查結果延伸到需求邊界的討論中去 ,其中有 52 %~54 % 的美國消費者對於電車價格溢價與續航能力處在上限需求邊界之內,而有 29 % 的美國消費者對於電車價格溢價與續航能力處在下限需求邊界之下。從圖2 中的上邊界數據(黃色區域的外側)可以看到,在沒有政府補貼的情況下,現用電動汽車的品牌中沒有一種可以滿足 50 % 的消費者基數的需要 。事實就是如此的嚴苛。

                                  2. 2017 年電動汽車幾大車型的續航能力與價格溢價展示 。價格溢價的定義標準是相對同等車型規模下的平均交易價格而言(包括 ICEVs,排除豪車)。特定的 2017 年電車車型也在綠色區域內再次作圖,它們的價格也相應地根據 70 美金/kWh 的電池成本(初始的電池成本預估爲 250 美金/kWh)作出了調整。+  × 符號分別到代表了 52 %~54 %  29 % 的美國消費者們的續航里程和價格需求,這些數據點通過一個里程相關的購買意願模型被拓展到邊界需求理論中。豪華電車基於其他豪華汽車的價格溢價在本圖中並沒有進行測算 ,這樣做是爲了突出每一輛汽車的價格溢價與以花費爲首要考量的普通消費者的價格需求對比。

                                  當然 ,也有比較樂觀的看法,有近來的預測表示到 2030  2040 年,藉助於製造效能的提升,鋰離子電池包的價格可以降低至 $70/kWh。如果 2017 年的電動汽車市價也調整到相應數值,那麼有三款車型(雪弗蘭 Bolt、現代 Ioniq 與特斯拉 Model 3)貌似可以超過 50 % 的用戶需求閾值,如圖2 中所示。

                                  但是即便儲能成本這個短板從電動汽車的方程中移除,現用電動汽車的續航里程也無法滿足 30 % 的美國消費者的需要,更別說其他有着高度汽車依賴的國家了。

                                  因此在控制成本的前提下大幅提升續航里程似乎是華山一條路了 ,這就直接指向質量能量密度這一關鍵指標 。以鋰離子電池爲例 ,能量密度的提高一般有三板斧:1)鋰金屬負極;2)高電壓;3)減少安全器件(太重) ,但收之桑榆 ,失之東隅 ,安全性能會以肉眼可見的程度損傷 。固態電池頗有潛力  ,它可以調用鋰金屬負極與高電壓正極材料 ,同時兼顧安全,然而其實際發揮的面積比容量低到無法接受(<1 mAh/cm2,因之帶來的質量能量密度比最新的鋰離子電池要低) ,且循環壽命也無法保障(<20 cycles),即便是最優化的鋰金屬負極電芯貌似也無法在實用條件下超過 350 Wh/L。

                                  因此 ,遠程運輸交通市場的電動化正迫切等待着可用的、具備更高質量能量密度的、更低成本的、更高安全性能的電池化學體系與儲能技術  。

                                   

                                   低成本運輸&交通

                                  對於大基數的潛在客戶羣體,電動汽車的成本而非續航里程纔是他們的關注重點。圖3 是針對特定國家機動車註冊數據(包括電動汽車與傳統燃油車)的離散選擇模型擬合結果 。

                                  在這方面 ,不同國家之間差別顯著,例如美國消費者們願意爲多增一公里的里程而額外支付$2121$/km ,但是發展中國家(中國、印度、巴西與印尼)的平均數值只有 $8.4。

                                   

                                  3 還有分析一組相當有趣的數據機動車價格的負對數係數 ,這個指標度量的是促使消費者購買機率下降的價格增長的幅度,幾個發展中國家的負係數的平均值要高於美國 。令人驚奇的是,在中國  ,這個係數爲負,意味着價格更高,更能刺激電動汽車的消費 。不過,這份超高的銷售數據源(到 2016 年爲止總銷售額爲 2 億輛)自更低廉且更小型的低速電動汽車,包括二輪以及三輪,對比傳統電車的數據(到 2016 年爲止總銷售額爲 60 萬輛)可以得知中國乃至印度、巴西與印度尼西亞等國對低價運輸交通工具的深度市場野望 。

                                  在中國這樣的新興市場上已上線的電車與發達國家的同伴有着相似的價格溢價 ,目前的低價運輸交通市場在現行鋰電式電動汽車的填充下已盡顯匱乏 ,更何況伴隨着發展中國家的持續工業化所帶來的市場激增  。如果以小型汽車與次緊湊型汽車的電池能量對續航里程作圖,我們會得到一條斜率爲 0.19 kWh/km單位里程的能量損耗)的斜線 。在發展中國家,平均購買意願爲 8.4 $/km,除以0.19 kWh/km就可以得到大致的儲能價格—45 $/kWh,將成本控制在此範圍內的電化學儲能技術方可在新興市場中立電動交通工具於不敗之地 。換一句話說 ,具備更高質量能量密度、與鋰離子電池相似成本的技術也可以通過降低上述的能耗價值來振奮市場 。

                                  3. 美國與新興國家的乘用車購買習慣對比。細節爲美國消費者與特選的新興國家消費者的附加里程的購買意願以及汽車價格的負對數係數對比。文獻 [22] 中有詳細的計算方法 。負對數係數的量級越高,意味着隨着汽車價格的升高則消費者的購買機率越低。需要注意的是 ,新興國家的平均購買意願並不是給定數據的平均值,而是由汽車價格的平均對數係數與每個新興國家汽車的平均續航里程計算而來。

                                   

                                  高頻度運輸&交通

                                  高頻用車輛的污染排放對氣候變化與空氣質量下降負有重大責任。

                                   

                                   2015  ,二氧化碳排放的 1/3 就來自於貨車 ,這個份額隨着工業化國家乘用車能效越來越高而逐步增加 。因此,引導貨運用車領域內的電動化非常關鍵 。

                                  高頻用運輸對於電動汽車用的儲能技術有着更高的需求。首先,快充能力考量權重提高了 ,因爲貨運對於時間非常敏感。但是這同樣容易造成電池的老化與安全隱患,多臺電動汽車同時快充還會給電網的部件造成額外的壓力  ,到最後不得不進行一些高成本的升級更換 。因此,想要切合高頻用電車市場的一個重要的方面就是這些儲能技術在平穩對接電網時快充的能力。

                                  另一個需要重視的方面就是高頻用車的重量。相較於私人轎車,鋰離子電池包的重量也需要成比例地方大纔可以使得這些大型車輛達到相同的里程數  ,但是更大的電池包通常表面積/體積比更低,這意味着散熱較慢 ,那麼隨之而來即是老化與安全隱患,現行的複合冷卻技術要麼很貴要麼使用有毒物質。

                                   

                                   電化學技術備選方案的評估

                                  前面細述了對於不同車型 ,儲能技術的要求也各不類同。與鋰離子電池相比,對於長途用與低成本的電動汽車 ,車用電池需要更高的能量密度與更低的儲能成本,對於高頻用電動汽車,車用電池的快充、電網兼容性與安全使用性能更爲關鍵。當然,鋰離子電池坐擁着其他幾種特質  ,是其他電化學技術仍然需要去完善的 。

                                  4. 可充電電池與氫燃料電池的特徵 。質量能量密度、體積能量密度與功率密度波動範圍的上界表示實際可達的預估數值 ,而下界則代表了已經獲得的數據(儲能成本如出一轍) 。循環壽命、日曆壽命、能量效率、自放電性能與工作溫度範圍的數據總結自商用或模型電池實測的上限與下限。儲能成本指的是電池包或者系統層級的成本 ,而質量能量密度、體積能量密度與功率密度對應的是電芯層級的數據 。現有文獻的信息不足以確定質量能量密度、體積能量密度與自放電速率的上下限或者相關數值。對氫燃料電池 ,能量相關的特徵只能應用在常規儲氫罐內(不包括燃料電池)的氫上,功率密度也只能應用在燃料電池上(不包括儲氫)。氫燃料電池的循環壽命與自放電速率尚不可用,因此也不討論 。安全性能、快充兼容性與電網兼容性均可以用 0 (最差)到 10 (最好)的數字進行量化評級。由於將可燃、液態的電解液更換爲不可燃、固態的電解液,固態鋰離子電池的安全性基本上倚靠隔離膜的安全評級 。

                                  4 比較了目前可用於電動汽車的電池技術在不同指標上的優劣 。定量的安全級別可以通過使用的電解液類型(可燃或不可燃)、過熱的潛質、有毒或腐蝕性物質釋放的潛質來進行研判。快充性能可以半定量地通過功率密度來評級,電網兼容性可以半定量地通過能量轉換效率來評級。氫燃料電池具備最好的快充性能與最佳的電網兼容性 ,因爲它們可以在不打斷電網的情形下快速地轉換氫氣 。

                                  需要指出,圖4 中儲氫的能量特徵(質量能量密度、體積能量密度與儲能成本)都應該直接與其他電池化學體系的指標進行比較,因爲一個耦合的燃料電池系統的質量、體積以及成本無法明確估量。不像常規的電池,一個氫燃料電池集成系統的總體能量(即儲氫的總量)是可以被單獨地提升,不受總體功率的影響 。也因爲這種本質上的不同 ,氫燃料電池並不放在下面的分析討論中 ,它們會被專門闢出一節進行評價 。

                                  4 種幾個重要的度量如質量能量密度、體積能量密度以及儲能成本等均可以在計算汽車裏程(Rv)、整車成本(Cv,t)以及電池包體積(Volb)中得到很好地展示,詳見算式(1)、(2)、(3):

                                  式中 ,ECE是電動車的能耗效率,M C分別是電動車的重量與不包括電池包的成本。C是電池包的成本,SEBC  EDBC 是電芯的重量比能量密度以及體積比能量密度 ,km,B  kvol,B (無量綱)分別是是電池包質量與體積的開支因數。單個電池的開銷因數反映的是電池運行的安全設備或者空氣調控裝置(鋰空電池)的等級。

                                  迷你車(低成本電動車市場的主流),中型車(遠程電動車市場的主流)和半拖掛車(高頻用車市場的代表)的計算結果如圖5a&b5c&d5e&f 中 。圖5a5c  5e 給出的是電動車成本與行駛里程的函數關係,曲線的終點意味着電池的體積已經觸碰到車型容許的空間極限。考慮到空間的限制,鉛酸與鎳氫電池較低的能量密度明顯是一大劣勢 。在長途電動車的性價比上,鋰硫、鋰空與鋅空具備超過鋰離子電池的潛質。電動車提升里程的成本,可以與客戶購買擴充里程的意願相對應  ,這個指標與電動車續航里程的函數關係如圖5b5d  5f 所示。圖5b 表明  ,鋰硫、鋰空與鋅空電池可以使迷你電動汽車的擴充里程成本大幅接近於發展中國家的平均購買意願水平(注:圖3)。

                                  5. 整車成本與附加里程成本與行駛里程的函數關係 。(ab)迷你車(Cv=10000$ ,Mv=650kg,ECEv=0.0985Wh·km-1·kg-1);(cd)中型車(Cv=25000$ ,Mv=1500kg,ECEv=0.0777Wh·km-1·kg-1) ;(ef)半掛卡車(Cv=100000$ ,Mv=24000kg ,ECEv=0.0445Wh·km-1·kg-1) ;圖5a5c5e 中的曲線由表達式(1)與(2)計算得到 ,曲線的終點表示電池體積(表達式(3))觸碰到極值了  。圖5a5c5e 中的曲線是有相應的圖5a5c5e 中的曲線斜率計算得到 。

                                  6 是根據不同電池體系能量與成本特徵(注:圖4)的上限與下限所圍合起來的針對中型電動車的價格-里程大致適用範疇。在這區間裏,我們可以看到鋅空電池有驅動最長里程電車的潛質,而鋰硫電池有驅動最低成本電車的潛質 ,之所以稱之爲潛質 ,是因爲這項評估無法決定這些電池是否具備充足的功率、循環/日曆壽命、庫倫效率以及自放電速率來可靠地驅動一輛電車 。因此,圖5 與圖6 展示的僅僅是這些電池的化學體系足以達到降低成本與提升續航里程的基本潛能。這些電池技術在乘用、商用以及公用交通方面的實用性細節將會在下面的討論中進行分析 。

                                  6. 中型汽車成本與續航里程的敏感圖。在兩條曲線涵蓋的區間表示每種電池可行的成本與行駛里程範圍 ,上界曲線表示的是最差情形  ,即對應最小質量能量密度、最小體積能量密度、最高的成本與最大的系統開銷  ,下界曲線表示的是最好情況,即對應最大質量能量密度、最大體積能量密度、最低的成本與最小的系統開銷

                                   

                                  商用的可充電電池

                                  這裏先來看看現行已經商用的兩款可充電電池,我們會以鋰離子電池的替代者視角來進行評估。

                                   

                                  -酸電池。這是目前世界上成本最低、使用最廣的可充電電池。但是考慮到鉛酸電池的質量能量密度與體積能量密度,它們也僅僅是在短途電車領域比鋰離子電池更有價格優勢(圖5)。並且 ,相比鋰離子電池 ,鉛酸電池的體積更大 ,循環壽命更低  ,功率密度與能量效率更差 ,這些缺點使得它們在較新的低價低速自行車與電動車市場選擇度上明顯不如前者 。不過  ,鉛酸電池作爲汽車電啓動的輔助角色還是很有優勢的:除了低成本之外的低溫使用性(低至 -40 ℃)、更高的充電安全性與更低的自放電速率。

                                   

                                  現今涉及到鉛-酸電池的絕大多數工作都是圍繞着實現它們在混合動力型汽車中的再生制動充電與電機輔助。這就需要電池能夠在部分充電的狀態下承受住數以十萬計的高功率微循環。傳統的鉛-酸電池在實施高放電倍率的情形下存在一個重大的問題:負極上大塊的、絕緣性的硫酸鉛晶粒的不可逆生長 ,而這又會影響它的後續快充能力。爲了緩解這個問題 ,有人就試圖採用各類的含碳添加劑來改善導電性、促進小型硫酸鹽晶粒的生長、引入電容行爲來緩衝高速充放電。這些-電池在低成本混動概念車上已經初露鋒芒 ,隨着之後的動力改善 ,它們可能會在全電動、低成本的雙核驅動汽車上嶄露頭角 。

                                   

                                  -氫電池 。1989 年就商業化的鎳氫電池 ,是目前最常用的鎳基電池,同時在大多數指標上也比鉛酸電池更加優越。直到不久前,它們也還一直是混合動力車的默認選擇 ,因此這項技術在再生自動充電與全電力牽引上已經得到良好的優化。然而  ,鎳以及其他儲氫金屬的較高成本使得它們比鉛酸電池還要昂貴 。實際上,隨着鋰離子電池的降本趨勢,鎳氫電池比它們還要更貴。

                                   

                                  現在的情況是,鋰離子電池具備更高的質量&體積能量密度,更長的循環壽命 ,而鉛-酸電池更便宜 ,鎳-氫電池對於新興的電動車市場似乎並沒有明顯的優勢 。然而,鎳-氫電池選擇的水系電解質與低活性金屬使得它們在本質上使用更安全,良好的低溫性能也能爲寒凍地區的汽車啓動提供保障 。它們更加安全的使用性能也容許其被放置在汽車內的易撞擊區域,比如前攔部位 ,這樣的位置對於鋰基電池而言就相當危險 。鎳-氫電池結構組分與吸能材料的替換被引爲一種降低整車重量的創新方案,從而具備驅動長途電車的潛質。

                                   

                                  新興的可充電電池

                                  下面,我們會考量三種不同的新興電池技術的特徵,它們被普遍預見爲電動車應用的儲能解決方案。

                                   

                                  -硫電池 。這類電池備受矚目,乃是因爲它們那亮眼的相當於 4.5 倍鋰元素的理論容量以及相比典型的嵌鋰型陰極價格更低廉的含硫陰極 。不幸的是,含硫陰極碰到了挑戰性的難題 ,比如循環過程中的急劇體積變化、硫以及多硫化鋰相的低電導率以及含硫物種在常規鋰離子電池電解液中相對較高的溶解度。這些問題都會導致低循環壽命、高自放電速率  ,它們對於電動車儲能技術都是難以接受的 。鋰-硫電池同樣也必須採用鋰金屬負極來維持對於鋰離子電池穩定的能量密度優勢  。鋰金屬負極的挑戰也是多樣的 ,包括糟糕的循環壽命與差勁的快充能力(由於鋰枝晶的生長與不可逆的電解液消耗)、較大的自放電(基於有害的副反應)與激增的製造與使用的安全隱患 。

                                   

                                  針對以上的難題,研究者們已經報道了多孔碳或導電聚合物容器包繞硫單質的電極  ,這一技術可以抑制硫的溶解同時也能夠容納體積膨脹、提升電導率、支撐充放電時鋰離子的可逆遷移。對於鋰金屬負極  ,絕大多數以抑制枝晶形成與副反應的方案都涉及到鈍化層、包覆層、增強隔離膜或者使用固態電解質保護負極 。上述方法都不能以犧牲質量&體積能量密度爲代價來提高循環壽命與倍率性能,但這顯然是現階段難以企及的目標 ,文獻中的模型電池在實際充電倍率與能量密度的條件下的循環均無法超過 500 圈。

                                   

                                  相比鋰離子電池,鋰-硫電池實際可達的最大質量能量密度(600 Wh/kg for cell)與預估的最低成本(36 $/kWh)都是一個不小的飛躍 ,這些優勢也使得它們在前述的三種新興電車市場上具備一定的吸引力 。然而除非它們的循環壽命有一個巨幅的提升 ,否則鋰-硫電池對於頻用電車仍是一個劣選 。另一方面,那種需要不定期長途運行的商用車倒是一個比較現實的選擇,因爲它們的電池極少要進行滿放的服役。很少有司機長途行駛需要頻繁地激發(中型)鋰-硫電池的深度放電,也就是說,不用太過於焦慮因頻繁長途使用而引發的電池衰退 ,相比而言,傳統的里程焦慮(長途駕駛無能症)纔是心頭大患。因此,在乘用電車上 ,鋰-硫電池具備正面硬剛鋰離子電池的能力,因爲在一個相對可行的價格層級上,它們可以降低成本並消減里程焦慮(圖5) 。

                                   

                                  -空氣電池。得益於大氣氧的動力提供 ,這類電池可以比鋰-硫電池提供更多的質量&體積能量密度 。然而 ,它們所展示出來的的循環壽命卻低得多,最多也不過 100 圈  。循環壽命的改善可謂難度不小,問題多多,比如含鋰的放電產物堵塞空氣電極、高電壓充電導致的催化劑衰退、大氣水分與不可逆電解液分解引起的鋰金屬副反應。另外 ,儘管目前鋰-空氣電池的功率密度與能量效率的有效估算還不可考 ,但這些指標很有可能要比前述的電池系統差得多 ,因爲在空氣電極上的氧氣動力學相當遲滯。

                                   

                                  而且 ,在考慮進用以防禦大氣中二氧化碳以及水分的裝置之後 ,鋰-空氣電池系統能量密度的最大預估值也只有 384 Wh/L(系統層級)。這實際上爲鋰-空氣電池(相比於鋰離子電池)大幅改良續航里程的能力上預設了一個體積能量密度的天花板(圖6) 。從另一個方面來看,它們較低的綜合成本與較高的質量能量密度對於長途與低成本乘用電車而言還是很有吸引力的(圖5)。然而不像鋰-硫電池,鋰-空氣電池需要一種額外的高功率電池才能實際應用 ,因爲它們的功率密度實在是太差了 。

                                   

                                  -空氣電池。儘管質量能量密度略遜鋰離子電池一籌 ,但鋅-空氣電池貌似更有可能應用在未來的電動車中 ,因爲它們具備更領先的技術地位與更高的實際可達的體積能量密度。在鋰離子電池登上舞臺之前的幾十年中   ,鋅-空氣電池一直被視爲汽車電動化的潛在備選。與鋰-空氣電池類似 ,鋅-空氣電池糟糕的體積功率密度與能量效率也可能會是制約它們成爲供能主核的阿喀琉斯之踵,然而 ,一旦用在雙核電池系統中 ,它們又會華麗上線 。鋅-空氣電池與高功率型的鉛-碳電池組合後,可以成就一臺低成本的電車,儘管這種系統可能需要更高的循環壽命來維持汽車的服役時長 。另一種可能 ,就是鋅-空氣電池可以作爲鋰離子電池主驅的電車的里程增益,來確保電車的長續航  。在司機偶爾需要長途駕駛的情形下,它們偏少的循環壽命與較低的效率都顯得多少有點不太重要了 。儘管雙電池的理念會顯著地增加成本與複雜程度,但鋅-空氣電池的固有安全性能使得它們極度適配雙電池構型 ,因爲它們(類似鎳-氫電池)對於車內機械位置的選擇並不挑剔  。

                                   

                                  這些應用的成功依賴於鋅-空氣電池的耐久性。改進雙功能型氧氣催化劑與鋅電極的循環穩定性同時保持較高的質量&體積能量密度 ,對於實現較高的循環壽命至關重要。降低或去除空氣電極中的碳也可以提升鋅-空氣電池的日曆壽命 ,因爲碳基的空氣電極極其容易受到鹼性電解液的腐蝕 ,即便是在電池靜置的情形下 。在空氣電極孔洞中由二氧化碳形成的碳酸鹽,以及電解液的增發,對於耐久型的鋅-空氣電池而言是接下來的挑戰 。問題只有通過空氣過濾器與可重複密封的氣閥解決後 ,鋅-空氣電池才能進行增程應用 。

                                   

                                  氫燃料電池

                                  氫是一種攜能物質 ,它可以由低碳源產生並存儲到相對於多數電池更高的質量能量密度(圖4)。因此 ,具備這種潛質的氫燃料電池被定位於運輸領域中的去碳化 。首批量產的聚合物電解質膜(polymer electrolyte membrane ,以下簡稱 PEM)燃料電池型電動汽車(fuel-cell electric vehicles  ,以下簡稱 FCEVs)  ,於 2013-2014 年由現代、本田與戴姆勒公司引入。這類電車相比於現行純電動車(battery electric vehicles,簡稱 BEVs)的優勢包括更高的續航里程(超過 500 km)以及更快的續料(3-5 分鐘即可續滿儲氫罐)。但自 2016 年以來  ,FCEV 的累積發售只佔到電車銷售額的極小部分(不到 10000 輛或者小於 0.5 %),它們要想拿到更好的市場份額 ,必須要越過幾大難關 。

                                   

                                  相比傳統的電車 ,FCEVs 的售價更高,這點倒是類似於 BEVs,需要歸因於它們電化學的功率供應 。儲氫罐與燃料電池系統是其中最爲昂貴的組件 ,因爲它們內含超貴的材質與設備比如鉑、碳釺維、加溼器以及換熱器 。隨着量產規模的擴大 ,這些組件的成本幾乎全都會下降不少  ,當然需要排除鉑族金屬(platinum-group metal,以下簡稱 PGM)的催化劑 ,因爲它們實在是太稀缺了。想要達到與 ICEVs相似的 PGM 含量,FCEVs 必須降低 PGM 載量至現有先進水平的 1/4 。這就非常倚賴於折中水準的 PGMs、高效高耐型催化劑的研發。

                                   

                                  中型電動汽車與半掛電動卡車的 BEV    FCEV  的成本對比如圖7a  7b 所示,應用算式(1~3)可以大致估算出傳統 FCEV 的里程與成本、儲能與轉化系統的體積,計算時只需要將原式中的耗能效率替換成耗氫效率 ,同時納入儲氫罐與燃料電池系統的額外重量、額外體積與額外成本即可 。更新後的公式如方程(4)、(5)、(6)所示 ,分別爲 FCEV 的里程計算、整車成本計算、電池包與燃料電池系統和儲氫罐的綜合體積計算 。

                                  上述式中,MH2 是儲氫的重量,HCE是電車耗氫效率 ,SEH2 是氫的質量能量密度 ,MFCPFCCFC  VFC分別是燃料電池系統的重量、功率、成本與體積 ,MHTCHT  VHT 分別是儲氫罐的重量、成本與體積 。FCEV 續航里程增加的成本敏感程度更低一些 ,因爲要提升里程只需增大儲氫罐的大小、數量或者壓力 ,而這些因子按照單位能量層級(/kWh)相比鋰離子電池包而言要更輕也更便宜。

                                  然而 ,在乘用車領域(圖7a),燃料電池系統現階段居高不下的成本讓傳統的  FCEVs    BEVs  貴上許多。先前的估算預計乘用型 FCEVs  BEVs 在較低續航里程的狀況下有一個成本交叉 ,但隨着近年來鋰離子電池成本的直線下降以及之後估價的持續走低,這個成本的交叉點也被升級到較高續航里程的位置上(圖7a)  。另一方面,半掛卡車在工況的續航里程下貌似更適合於使用燃料電池系統而非鋰離子電池進行電動(圖6b) ,緣由十分明晰:對鋰離子電池而言,要獲得與燃料電池相同的續航里程,需要加增電池系統重量,那麼電驅半掛卡車的載能勢必減少 。

                                  7. 鋰離子電池與氫燃料電池的整車成本與行駛里程的函數關係  。(a)中型汽車的 BEVs  FCEVs 曲線對比 ;(b)半掛卡車的 BEVs  FCEVs 曲線對比 。曲線是通過算式(4~7)計算得到的 ,需要注意的是  ,2017 年與 2040 年的差異只用來表明價格的預期下落,既不能代表鋰離子電池質量能量密度的提升也不能代表氫燃料電池的功率密度與效率的改善 。每條曲線上的 × 符號表示電池包、儲氫罐與燃料電池系統超過 300 L(中型汽車)或者 2500 L(半掛卡車)

                                  目前一些較新的 FCEVs 會定製一款較大的鋰離子電池作爲 i)短途行程的純電池動力推進器以及 ii)燃料電池的大塊頭動力輔助系統  ,這樣一來燃料電池系統的尺寸可以得到縮減 。這類插電式混合 FCEVs 可以使用算式(7)進行估算 ,這個表達式也是公式(1)與(4)的組合變形:

                                  以儲氫質量作爲變量,將式(7)作圖可以得到一個比較明確的趨勢:更低的整車成本與大幅提升的可達里程,這一切要得益於燃料電池系統尺寸的縮減(圖7a)。長期的預計成本顯示   ,在達到 800 km 的續航里程下,一輛中型的插電式混合 FCEV 會比同量級的鋰離子電池 BEV 便宜 5000 $,比同型的 ICEV 貴上 6000 $,在美國消費者這個羣體內 ,這個數據使得它們會獲得相當可觀的青睞(圖2) 。

                                  另外,2000 km 續航的混動 FCEV 卡車也已經步入研發階段。FCEV 的使用目前面臨的一大障礙就是現行十分匱乏的氫運輸與配送的基礎建設 。一座加氫站(包括氫配送或者原地生產)的資本成本在一百萬到一千萬美金不等,這要比一座電車的快充電站貴上不少(不到 200000 $)。因此 ,近期內 ,FCEVs 與氫基建的開發最合理的方向是在高頻用商用車領域 ,少數規劃性定點的加氫站爲既定運行路線的頻用車輛進行供配,這樣它們的高投入成本纔會有的放矢 。在更大的規模上,爲匹配 BEVs 的充電需求將電網升級的費用反倒要比建設一條加氫網絡更貴。

                                  FCEV 的大範圍使用的另一種可行性就是它們相對於其他電池系統的能量效率 。整套的綠色可移動的氫循環包括水解產氫的儲能、氫氣的壓縮(必要時還可以運輸)以及氫轉化再次驅動 FCEV,而它的效率基本上在 25~30 % 之間(不考慮熱量回收與再利用)。現階段的工業級氫是可以達到更高的效率,但製備的工藝會帶來較大的碳排放 。一臺 BEV 的充電與駕駛的總體效率大約在 80~85 % 之間 ,相比之下這意味着一輛 FCEV 將會需要大約 2.5~3.5 倍的能量來保證相同的里程。

                                   FCEV  BEV 應用的全面成本對比必須要囊括(i)升級現有電網的成本 vs 構築一套氫基建的成本以及(ii)匹配峯值需求的額外能量在低電力需求期間的存儲方式的考量。一份針對英國情況的類似研究表明  ,只依靠電力供給終端技術(如 BEVs)的電氣化方案會比以氫作爲首要能源載體的全面貢獻模式貴上大約三倍。同樣值得注意的是,在單位能量(/kWh)層級,結合儲氫的鹼性電解方案的資本成本比其他任何一種商業化應用規模的技術要低 。

                                  最後,PEM 燃料電池的耐受性也是它們潛在成功的一個重要因素  。特別對於高頻用市場,PEM 燃料電池想要達到與現行 ICEVs 相似的循環壽命  ,一個重大的挑戰就是需要具備足夠強大的耐受性。備受鼓舞的是 ,最近兩臺 PEM 燃料電池驅動的大巴(其中一款採用的是加拿大巴拉德公司的 FCveloCity-HD6 模組)已經貢獻了 25000 h 的服役時長——相當於 4~6 年的循環壽命,這一數據也達到了美國能源部與聯邦交通管理局對於燃料電池動力系統的預期壽命 。乘用 FCEVs 目前也接近 5000 h 的預期服役時長。插電式混合 FCEVs 經過燃料電池與大型電池間換電技術的優化後可以具備更高的可靠性 。

                                   

                                  展望

                                  具備優異的質量能量密度、體積能量密度、成本、安全性能以及電網兼容性的二次電池與燃料電池,對於長途、低成本與高頻用運輸交通市場的電動化而言是十分必要的 。儘管現在還沒有一招鮮吃遍天的技術  ,但本篇綜述所論及的每一種技術都至少可以對應到電動汽車這個新興市場裏的每一類終端應用(圖8)。高功率型的鉛-酸(鉛-碳)電池可以作爲低成本電車內低功率、高比能(質量能量密度)電池的增補 ,而鎳-氫電池可以通過輸出額外的能量並通過即時的更換結構或吸能組件來提升鋰電式電車的續航里程  。鋰-硫電池可以完全替代鋰離子電池助力長途、低成本電車市場  ,而鋅-空氣與鋰-空氣電池作爲里程增益同樣可以在上述領域內成功應用 。

                                  最後 ,快速續料與電網兼容的氫燃料電池對於高頻用運輸市場而言是一劑天然的配方,而氫的較高質量能量密度與體積能量密度同樣可以使得它們在長途乘用電車市場上備受青睞。鋰離子電池目前對於特定的電動市場應用而言確實是所有特性的最優組合 ,但使用常規電池與燃料電池多元混合的電車應用將會大大加增完全過渡到清潔、低碳運輸交通的可能性 。


                                  本文全文翻譯自Batteries and fuel cells for emerging electric vehicle markets