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谁才是新能源车的未来:锂电池,氢燃料电池,还是固态电池?

2022-11-21 来源:科学火箭叔 浏览数:1

埃隆马斯克曾经这样评价氢燃料电池——非常愚蠢,更像是一种营销策略,而不是新能源汽车的长期解决方案。

他的评价有道理吗?氢燃料电池真的有这么不堪?他所使用的锂电池就一点毛病没有吗?

好,咱们今天就来简单讨论一下,顺便再拉一种新的电池杀入战局——固态电池

一个一个来,先说今天用的最多的锂电池本质上它就是我们的手机相机笔记本电脑等等,这些移动电子设备里的电池的放大版本,只是放大的不单是体积,还有数量。

跟使用单个单元的小电池相比,电动汽车里的锂电池是将数千个这样的小单元捆绑在一起,形成的一个容量更大的组合体,因此才能驱动汽车这样的大家伙。

和传统的铅酸、镍镉电池比起来,锂电池的能量密度要高的多,所以不仅能够储存下更多的电量,连使用寿命都要长的多,于是就非常适合拿来作为新能源汽车的能量供应源了

到了今天,很多充满一次电的锂电池电动汽车,已经基本上能跑过跟加满一箱油的燃油汽车差不多的里程了,这么看起来是美好的……但是它也有天然缺陷呀!

最大的一个问题是——安全性锂电池的稳定性其实并不是可充电电池技术里面最高的它怕高温,它怕过充,它怕过放,它还很怕碰撞。

因此它们就需要更高的保护级别,不仅是物理上的盔甲保护,还包括系统上电子的保护,每个锂电池都需要有专门的保护电路,以确保它们能够在安全范围内运行。

这些就势必增加了整个系统的成本、复杂程度和重量,成为锂电池的一大缺点。

而因为这个大缺点,其他的一些小缺点也冒了出来,比方说这样的电池更难回收,它们的轮胎会因为重量的增加而更快的被磨损,开发周期也因为要考虑1/3车重的电池该如何平衡分布而拉的更长等等。

另外,尽管锂电池已经拥有不错的生命周期了,但是随着时间的推移,其充放电的性能也会而且这跟你用多用少还关系不大,即便摆在那儿不用,它的性能照样会往下掉。

当然最后一点就是所有人都绕不开的——里程焦虑再怎么样锂电池的容量还是有限,还是跑的不够远,还是需要比加油久得多的充电时间,短途开开还行,要是跑长途就得再认真考虑考虑了。

那开长途就真的没有享受清洁能源的资格了吗?

哪里,不是还有氢燃料电池驱动的电动车吗?尽管马斯克说它非常愚蠢,但其实它有一些优势是远超锂电池的,比方说能量密度。

压缩氢气拥有高达40000瓦时每公斤的能量密度而锂电池呢?对比起来最好的情况下也只有可怜的278瓦时每公斤仅仅只是前者的0.7%都不到

这意味着使用氢燃料电池的汽车,可以在不增加更多重量的情况下带来更大的续航里程,再加上它是加氢而不是充电的,因此可以获得像是加油那样的时间优势,彻底的就没有里程焦虑了。

你看多好?既实现了100%的绿色环保,又没有一点的里程焦虑。

它会不会才是新能源汽车真正的未来呢?

哎呀,光看好处当然是这样,但是等我们绕到它的背面就不禁要感叹一下,为什么马斯克如此不待见氢燃料电池了。

有人会说安全是它的头等问题,这个不假,氢气具有相对较低的燃点以及非常宽的空燃比,是一种自带危险的气体,尤其是考虑到这里用的还是它的压缩状态。

但是,可能让你感到意外的是跟汽柴油这类石油衍生燃料比起来,它却具有一个巨大的优势——它轻大大的轻过了空气。

所以就能在发生火灾时,通过打开紧急泄压阀,快速的将它吹到空气当中,即便此时它被点燃了,也会像一个大火机一样对着天空燃烧,并不会伤到周围的人和车。

实际上,丰田甚至还用子弹射过它们的氢气罐,结果跟电影里子弹打进油箱的效果彻底不同,没有爆炸,没有燃烧,仅仅只是让比空气更轻的气体,通过弹孔逃逸到了空气中而已。

所以这么看起来安全性并不是氢燃料电池的一个大问题,那什么才是呢?

是成本?是效率?是它到底绿色不绿色了?

先说成本,虽然氢是这个宇宙当中储量最为丰富的元素,但是它基本上不会单独存在的,而是跟水、碳氢化合物,比如甲烷,还有其他的一些有机物结合在一起的。

因此要把它作为燃料,首先第一步就是将它从这些化合物中提取出来了,可惜的是这些过程要么根本谈不上绿色,要么花费高昂,要么就效率低下。

目前大部分的氢气都是通过一种叫做蒸汽重整的过程来制造的,它通过将高温水蒸气同天然气结合,来将其中的氢气提取,用这种方法的话↓

一是排放了大量的废气,所以并不环保!


二是浪费了大量的热量,所以非常低效!

如果把它作为燃料用到氢燃料电池当中,那还不如直接在汽车里烧天然气好了,绿色和效率两头都没占到,干嘛还多此一举呢?

那就试试第二种方法——电解水产生氢气如何?这次咱们用来自绿色能源的电,比如太阳能、风能等等,环保就没问题了吧?可是它也照样效率低呀!

大概有30%的能量在转换的过程当中损失掉了,因此拉高了成本,再加上大规模的建设基础设施、建设加气站、建设输气管或者建设分布式的氢气生产车间,都要花很多的钱的!

平摊下来,现在的结果是——它每开一公里就要比锂电池汽车多8到10倍的钱基本就谈不上什么经济性了。

最后还有效率的比较,刚才我们已经提到在用电来生产氢的过程中有大约30%的损耗了,其实总的损耗远不止如此。

压缩氢气时的损耗、储存和运输时的损耗、电池内部的转化损耗、直流交流的切换损耗等等,这些即使在最好的情况下,氢燃料电池最后也只能输出其原先1/2还不到的效率,可比锂电池要低得多啊!所以它前面的路还长着呢!埃隆马斯克可以继续正确一阵子了。

但是也不能掉以轻心,因为一项新的电池技术很可能要来砸它们的饭碗了——固态电池……其实也算不上新。

因为固态电池早就在一些小型电子设备上使用了,只是以前它们不好充电而已,把固态电池用在新能源汽车上有什么好处呢?

第一由于它使用的电解质换成了固体,所以体积上大为缩小,只有锂电池的一半左右,在同样的空间里咱可以装进去两倍的电池,从而带来了翻倍的续航里程,很大程度上就解决,至少大大缓解了里程焦虑的问题。

其次由于没有液体,它很安全!即使被破坏也不容易引发危险,于是保护措施就能大大简化,带来实质性的减肥瘦身了。

成本下降、重量下降既可以让电动车轻装上阵,也可以在原本的基础上装上更多的电池,带来不可思议的大续航,总之灵活性大大增加了。

最后,其充电效率更高因此冲的更快,其使用寿命更长,因此能覆盖汽车的整个生命周期……是不是新能源车的梦想伙伴呢?

当然是的!只不过它离大规模生产和使用还有距离,科学家和工程师还在寻找更好的固态电解质材料,而这之后,生产商还得要想尽一切办法来降低它的成本,才能最终被市场接受嘛,不过电动汽车的未来是越来越光明了。

 

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