当原油用尽时,人们寄希望于电动汽车,希望它能够保护环境,使社会重新充满活力。实验证明,电动汽车能够满足人们的期望,而寻找完美的电池方案一直是研究者的工作重心。
如果2030年真的能够实现德国国家电动汽车发展计划中所描绘的景象——德国有500万辆电动汽车在街上行驶——请让我们回顾过去。在内燃机汽车诞生的30年前,电动汽车便已上路,并创造了相当可观的速度记录:1899年比利时人Camille Jenatzy驾驶自己制造的车辆行驶,速度超过了每小时100公里。世纪之交,在纽约已经出现电动出租车队。然而由于没有能够为电动车持续提供动力的电池方案,长久以来它的发展始终停滞不前。
与内燃机相比,以电能作为动力的优点显而易见:起步加速快、功率高达3-4倍、行驶噪音小,并且不需要驱动装置。但电动汽车的缺点也是存在的,其中重要的一点就是电能总是被很快地消耗掉。
从世界范围来看,研究者和开发商都把重点放在电池方面,锂离子电池技术代表了当前的研究水平。九十年代初,索尼生产出了第一个小型的锂离子电池,由于具备性能高、寿命长、充电时间短等优点,很快就在小型设备如移动电话、笔记本电脑和模型飞机等方面得到了应用。而在汽车领域,最初却没人愿意使用锂离子电池,锂作为电极材料不仅会导致电压过高,而且很容易与其他元素进行反应。
在笔记本电脑中,即使电池有轻微的损伤,只有在温度极高和充电电压过高的情况下才会导致电池中的元素流失到空气中,引起电脑着火。然而,德国巴登州普芬茨塔尔 Fraunhofer研究所化学技术部的电池研究员Jens Tübke说:“汽车却完全不同。”汽车的蓄电池中储存着非常多的能量,它甚至可以变成一个炸弹。在实验室和工厂,单体电压低于3.6伏,一旦短路就会变热而且膨胀,在成品电池中有很多个单体电压,在如此巨大的能量密度情况下,就算轻轻一碰,后果便会不堪设想。
而对于使用者来说,重要的是认识到哪个方面对自己更有用。
安全性:维尔茨堡 Fraunhofer研究所硅酸盐部的研究员Kai-Christian M?ller曾尝试用不可燃的聚合物来取代易燃的液态电池,但电极会受凝胶状塑料的影响,充电时间延长,不能实现优良的性能。
萨克森的合资公司Li-Tec,试图以其它方式解决这些安全问题。一般情况下,电池制造商使用一块很薄的塑料隔膜将两个电极分开,但在温度达到140摄氏度的时候,它们就会像炉底板上的塑料袋一样融化,容易引起短路。Li-Tec利用陶瓷颗粒作为膜片涂层,能够承受700摄氏度的温度,但电池功率却降低了。但从另一方面讲,这种电池在充放电4000次之后也不会报废,这对每天都需要充电的电动汽车来说是很重要的。明年Li-Tec公司将会推出这种既安全又耐用的汽车电池。
耐用性:Lithiumtitanat公司制成的带极电池可以充放电至少15000次(2000次算优秀值)。这些电池可以在使用寿命长达十年的医学器材中得到很好的应用,对医学技术很有价值。
放电容量:如果想在很小的空间里存储更多的能量,可以在电极处加入琉璜。理论上,琉璜能比传统电极聚合三倍多的锂离子。在实验室里这种方法看起来似乎前景广阔,但只能充放电20到40次,之后就几乎不能再用了。
快速充电:如果要快速充电,磷酸铁电极材料效果很好。这种情况下手机电池可以在20秒钟充好电——至少在实验室是这样的,但是需要大量电能。
汽车电池的安全性、放电容量和耐用性是相互联系、此消彼涨的,电池制造商陷入两难境地,一个方面的提高大多以牺牲了其它方面为代价。普芬茨塔尔的电池专家Tübke说:“所幸在锂离子系统中还有很大的改善空间。”
要使电动汽车的电池达到使用汽油或柴油类交通工具的续驶里程,且既安全又经济,暂时还是无法实现的,金属空气电池也是如此。在金属空气电池中,空气中的氧气被当作锂电极的反应物。IBM研究员Chandrasekhar Narayan说:“这样电池就像一个燃烧引擎。现在是汽车吸进空气使其与汽油一起燃烧,将来空气将会用于电化学反应。”IBM希望用这种方式使电动汽车续驶里程达到800公里——比现在的锂离子电池远远超出10倍。IBM预计在五年后生产出第一个样品,而其他研究者则很谨慎地预计,这种研究方案需要耗时几十年。
最后,我们要讨论一个老方案,这个方案原来是为静止储能器设计的:不是为电池充电,而是加燃料。在氧化还原液流电池技术中,能源并不是储存在电极中,而是储存在电池液体电解质中。现在的氧化还原液流技术电容量很小。Fraunhofer-Institut研究所新科技部门的Jens Noack说:“我们已经成功地将它的效率范围提高到4-5倍,这样它就跟锂离子电池很相近了。”
对此,Tübke既兴奋又担忧:“这个想法的提出很引人注目,但是在未来的20年或30年间,还不能解决我们遇到的困难。”
(责任编辑:)