纳米结构降低电动汽车电池成本 提高性能.doc

北京有一家新创公司，名为五河公司（Wuhe），正在制作电极材料和电池，可以降低电动汽车的成本。该公司使用纳米结构作为电池材料，就像其他最新的纳米结构一样，这种材料可以传输大量爆发的电力，这是加速所需要的，同时可以保持能量存储容量。但五河公司的进展也使这种材料更容易使用，胜过类似的电极材料，结果是，可以降低电池单元制造成本10。电池组是电动汽车上最昂贵的组件，如泰斯拉跑车（Tesla Roadster）和日产Leaf（Nissan Leaf）都是这样。这一成本不是使电动汽车太昂贵，大多数人买不起，就是促使汽车制造商采用小型电池组，限制了汽车的行程。为了降低电池成本，提高其性能，五河公司创办者，中国科学院化学教授于郭郭（Yu-Guo Guo），开发了新的，低成本的方式，提高锂铁磷酸盐（lithium-iron phosphate）的性能，这是一种领先的锂离子电池电极材料，他也开发了其他有前途的电极材料。通常情况下，锂铁磷酸盐的电导率过低，不能使用。这一电导率可以提高，只需把它研磨成极其精细的纳米粉末，就像一些公司如A123系统公司（A123 Systems）所做的。由于这种粒子很小，电子或锂离子这两者都必需产生电流，因而就可以很快地进出它们。但是，这种粉末很难使用，会提高制造成本。于郭郭的解决方案是集成磷酸铁（iron-phosphate）纳米粒子，它们更容易密集堆积，不太可能变成在空气中传播，但是会保留高导电性。他没有提供精确的细节，但他说，这项技术是基于他早期发表的一些作品。这项工作的一个例子中，他把纳米颗粒嵌在多孔碳（porous carbo）制成的较大颗粒中。碳导电性好，而微孔容纳电解质材料，传导锂离子很好。于郭郭说，这些材料的制备只贵了10到20，这是对比大块锂磷酸铁而言。但是，它们可以传导的电力约两倍于这种块状材料，也使锂磷酸铁可以获得两倍多的能量，大约使能量存储容量提高一倍。他说，按每瓦时计算，这种材料的成本等同于其他锂磷酸铁电极材料。但是，由于这种材料较容易使用，它也可削减成本，把这种材料装进电池单元。五河公司是于郭郭去年年底成立的，公司已经能够每年生产300吨电极材料，足以制成约3000万个标准锂离子电池单元。公司也制造电池单元，首批应用是电动自行车。目前，公司可以生产足够的电池，大约每年供应500辆电动汽车。Jeff Dahn是Dalhousie University的物理和化学教授，他说，根据公司的业绩数字，磷酸铁电池将是“非常有用的”，并且性能更好，胜过现在电动雪佛兰伏特（Chevrolet Volt）使用的电池。他预测，五河公司会找到市场。铅酸电池不等于落后技术铅酸电池，是电极主要由铅及其氧化物制成，电解液为硫酸溶液的一种蓄电池。法国人普兰特于1859年发明的铅酸电池，已经历了近150年的发展历程，被广泛应用于交通、通信、电力、军事、航海等多个领域。如今，在大力发展电动汽车的背景下，铅酸电池应用于新能源汽车上，受到了一些质疑。奇能电池（江苏）有限公司总经理费扬告诉记者，铅酸电池存在很多弊端。“铅酸电池含有铅和酸性物质，容易造成污染。另外，铅酸电池的使用寿命也达不到汽车的要求，一般使用1年左右就要更换。对于新能源汽车所要求的能量密度，铅酸电池也恐难以达到。”不过，也有人依然看好铅酸电池。“在目前镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等相继上市的情况下，铅酸电池仍能在市场上占有一席之地。这绝非偶然。”中国电池工业协会副理事长、天能电池集团董事长张天任认为，“铅酸电池是相对成熟的动力电池，但绝不等于落后技术。铅酸电池有很多优点，技术成熟、成本低、安全性好、可回收再利用、有记忆效应，缺点是体积大、比容量低，循环寿命不够长。”近年来，铅酸电池在竞争中发展了许多新技术，如三维及双三维结构电极和全密封式、管式、水平式等新结构；使用新的铅合金电极，可促进比能量逐渐提高，循环寿命可长达4500次。“目前铅酸电池的利用率不到50%，还有很大的提升空间。通过不断的技术革新，铅酸电池将焕发出新的生机。”张天任说。至于铅酸电池的污染问题，有专家指出，国际先进的工艺技术可对铅酸电池的污染进行有效控制。国内先进铅酸电池企业的环保排放达标率已由十年前的5%提高至99.5%，而且可实现循环利用。铅酸电池升级版已问世除铅酸电池本身的性能改进外，铅酸电池的应用结构也在发生着变化。哈尔滨工业大学应用化学系主任胡信国提出了“超级电池”的概念。据他介绍，超级电池是把铅酸电池和超级电容器混合在一起，同时具备铅酸电池和超级电容器的功能。超级电池把铅酸电池负极板的一半做成超级电容器的碳电极，另一半做成铅酸电池的铅负极，在电池内部将两者并联起来。汽车启动时所需的大功率用电由碳电极提供，匀速行驶时所需能量由铅酸电池的铅负极提供。车辆需要大电流时，超级电容器起主要作用。两者功能实现互补，比普通铅酸电池更具优越性。据介绍，这种超级电池的体积比超级电容器小，价格比普通铅酸电池稍高一点，但比镍氢电池和锂电池都便宜。“价格只有镍氢电池的1/4。它是由制造技术成熟的铅酸电池升级换代而来，因此在成本上不需要更多投入，同时安全性也有保障。超级电容器可保证很大的功率，能满足强混合动力车的要求。”胡信国说。铅酸电池未来仍有市场不论何种技术，先进也罢，落后也罢，最终决定其能否生存的都是市场。在张天任看来，目前乃至于未来1020年内，铅酸电池还会在动力电池系统中占据重要地位。“如果超级电池取得成功，铅酸电池加上超级电容器或其他系统配置，能够基本达到新能源汽车的使用要求，实实在在做出来的产品，肯定比试验室里的东西更有说服力。”中国汽车工程学会副秘书长张进华认为，尽管新能源汽车发展热潮并没对提高铅酸电池性能有过多预期，但我国汽车市场很大，铅酸电池还有发挥作用的空间，所以不能简单淘汰，应该允许在一些车型上使用。同济大学研究生院副院长、汽车学院车用动力学责任教授李理光认为，现在高性能铅酸电池技术成熟，已经实现产业化，一些混合动力车型的启停系统都采用了高性能铅酸电池，值得推广。中国电池工业协会常务副理事长兼秘书长王敬忠认为，动力电池市场很大，超级电池比锂离子电池便宜很多，有很大的成本