在美國加州的某些地方，如富有的拉霍拉、高科技的山景城，人們只要行走在街上，仿佛就能夠窺見汽車工業(yè)的未來。在那些城鎮(zhèn)里，路上行駛著的不是特斯拉就是尼桑聆風(fēng)，再者就是其他款式的電動車。不過，電動車會成為汽車工業(yè)的未來嗎?著名投行摩根·斯坦利今年發(fā)布了一份報(bào)告：除了特斯拉的Model S之外，目前市面上的純電動車無一例外地統(tǒng)統(tǒng)沒有達(dá)到市場預(yù)期目標(biāo)，從目前來看，到2020年電動車能占據(jù)全球汽車市場的1%就不錯(cuò)了。
北京的焦慮
究竟是什么讓電動車撞上了南墻?其實(shí)是所謂的“里程焦慮”在作祟。簡單來說，就是人們擔(dān)心電動車的續(xù)航能力不足。
美國電動車的擁躉們并不認(rèn)為這是一個(gè)很大的問題。他們會告訴你：如今七至八成的城鎮(zhèn)司機(jī)每天通勤和日常出行開車?yán)锍滩怀^150公里，而美國人的平均每日駕駛里程更是僅為50公里左右，現(xiàn)在的主流電動車已經(jīng)具有足夠的續(xù)航能力。
在地球的另一邊，北京霧霾最嚴(yán)重的日子，人們也開始暢想電動車取代汽油車的未來——在方便出行的同時(shí)，亦能擁有藍(lán)天白云，那將多么美好?然而，在北京這樣巨大的城市里，電動車的電池容量問題卻不像美國加州那些司機(jī)們說得那樣簡單。
想象一下這樣的場景：你住在燕郊，在五棵松上班，每天往返里程合計(jì)約為120公里。你開著一輛主流電動車出門，根據(jù)美國環(huán)境保護(hù)署評測，它在充滿電的情況下最多能開103英里(約合165公里)，理論上足以應(yīng)付這段里程。不過，你今天中午還開車出去吃了飯，回家路上遇到交通管制繞了一大圈，然后還遇上了嚴(yán)重的大塞車，于是你發(fā)現(xiàn)，你還有2公里才到家，而你的車已經(jīng)徹底沒電了。
這是非常現(xiàn)實(shí)的問題：隨著房價(jià)的攀升，越來越多在北京上班的人選擇住到通州、燕郊、昌平或大興等郊區(qū)，他們的通勤里程奇高，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了所謂的“平均水平”。特斯拉革命盡管有專家認(rèn)為120英里(約合193公里)的續(xù)航里程已經(jīng)足夠，但對于電動車來說，理想的狀況依然是要達(dá)到與汽油車相媲美的公里數(shù)，亦即500公里左右。這個(gè)數(shù)字看起來不大，然而市面上卻僅有特斯拉Model S達(dá)到了市場預(yù)期。
Model S具備三種不同的電池組規(guī)格，容量分別為40千瓦時(shí)、60千瓦時(shí)、85千瓦時(shí)。其中，85千瓦時(shí)的電池組可供汽車行駛300英里(約合482公里)，足以滿足大多數(shù)人的需要。
為了配合Model S的高效電池組，特斯拉還在全球各地布置Super Charger充電站。這種充電站采用高壓充電技術(shù)，以120千瓦的功率為電動車充電，可以在30分鐘內(nèi)為Model S充好能夠開170英里(約合273公里)的電量。根據(jù)特斯拉官網(wǎng)提供的信息，它們已經(jīng)在北美開設(shè)了94座這樣的充電站，并且將在明年之內(nèi)把這個(gè)數(shù)字提高到300座以上，讓人們得以實(shí)現(xiàn)東西兩岸之間的長途駕駛。
特斯拉的布局已經(jīng)相當(dāng)完整：電動車有能與汽油車相媲美的續(xù)航能力，亦可以像汽油車一樣輕松補(bǔ)充能量，以實(shí)現(xiàn)長途旅行。按照這個(gè)發(fā)展勢頭，電動車取代汽油車也很有可能。然而，在理想與現(xiàn)實(shí)之間，仍有一個(gè)巨大的障礙，那就是價(jià)格。
為了實(shí)現(xiàn)超大電量，Model S的售價(jià)也相當(dāng)高昂，85千瓦時(shí)版本在美國售價(jià)為93400美元，即使是抵扣掉7500美元的聯(lián)邦稅減免優(yōu)惠后，也要8萬多美元;而根據(jù)2013年《凱利藍(lán)皮書》的統(tǒng)計(jì)，美國新車平均售價(jià)為32086美元，而且這都已經(jīng)超出了大多數(shù)美國家庭的負(fù)荷能力。
此外，即使是Model S的鎳鈷鋁電池，其電池組重量依然達(dá)到了1500磅(約合680公斤)。雖然儲能效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同類產(chǎn)品，但考慮到跑同樣里程的汽油車只需要50公升的油，兩者之間依然有著巨大差距。于是，能否進(jìn)一步提高電池能量密度，以及盡可能減少成本，就成了電動車是否能夠真正成為汽車工業(yè)未來的關(guān)鍵。
如果電池能呼吸
所謂能量密度，就是單位體積中包含的能量，單位是Wh/kg。我們知道，汽油的能量密度在13000Wh/kg左右，而現(xiàn)今世界上最好的鋰離子電池的能量密度也僅為300Wh/kg左右，而特斯拉的電池單元能量密度預(yù)測在250Wh/kg左右，這已是電動車電池行業(yè)的不二王者。然而，電動車想要取代燃油車，至少需要達(dá)到700Wh/kg的能量密度。
如何造出更好的電池呢?無非是在正極、負(fù)極和電解質(zhì)等材料上做文章。比如說，特斯拉的鎳鈷鋁電池，就是采用了鎳鈷鋁三元正極材料。為了更好地利用不同的復(fù)合材料，研究者們不僅要找出能用的材料，還要發(fā)現(xiàn)它們?yōu)槭裁茨苡?，以及它們是怎樣使用的，亦即，電子如何圍繞這些材料而運(yùn)作。
如今最熱門的前沿項(xiàng)目是鋰空氣電池。鋰空氣電池的理論能量密度為5200Wh/kg，比起特斯拉電池來說高了一個(gè)數(shù)量級;如果不計(jì)算氧氣重量，其理論能量密度更是高達(dá)11680Wh/kg，這就堪比汽油了。就算考慮到理論值和實(shí)際值的差距，也應(yīng)該完全能滿足電動車的需求。這樣的潛力當(dāng)然讓研究者們感到十分興奮，現(xiàn)在全球至少有上千家研究所正致力于攻堅(jiān)鋰空氣電池。
很顯然，對于電動車行業(yè)來說，誰能最先掌握商用鋰空氣電池技術(shù)，誰就能夠最快占據(jù)市場。大眾汽車公司已經(jīng)明確押寶于此，它們公開宣稱要在2020年實(shí)現(xiàn)鋰空氣電池的量產(chǎn)化，并預(yù)期打造出一款續(xù)航里程高達(dá)800公里的超級電動車。作為電動車行業(yè)的領(lǐng)跑者，特斯拉也在開發(fā)金屬空氣電池。此前該公司曾被媒體披露擁有一項(xiàng)最新的專利，顯示它們已經(jīng)開發(fā)了一種由鋰離子和金屬空氣(鋰空氣或者鋁空氣)電池組成的電池組，充一次電可以讓汽車行駛達(dá)到400英里(約合650公里)。
豐田的實(shí)驗(yàn)
汽車業(yè)界巨擘豐田公司所選擇的方向，卻與大眾和特斯拉不一樣，其將金錢和目光都轉(zhuǎn)向燃料電池汽車。
所謂燃料電池，就是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電池。它可以是氫燃料電池，也可以是生物燃料電池。從表面上來看，它也像普通電池一樣有正極、負(fù)極和電解質(zhì)，等等，但事實(shí)上，它卻不是一個(gè)蓄電池，而是一個(gè)發(fā)電裝置，所以燃料電池汽車也依然屬于電動車范疇。
燃料電池最大的優(yōu)勢在于體積小、分量輕但儲能很高。今年年初，弗吉尼亞理工大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)就曾開發(fā)出一種“糖能燃料電池”，能量密度達(dá)到了鋰離子電池的10倍。豐田公司預(yù)計(jì)在2015年左右上市的燃料電池車FCV-R亦是絕佳證明。根據(jù)豐田提供的資料，這款新車將有著至少500公里的續(xù)航能力，而且加燃料時(shí)間不會超過3分鐘，綜合來看，這樣的表現(xiàn)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于特斯拉Model S，已經(jīng)達(dá)到了燃油車的水平。
然而，燃料電池的問題在于，其最大輸出功率不足，也就是說，燃料電池車開不快。另外，在動力扭矩輸出也就是汽車加速性能上，燃料電池汽車也有著天然的弱勢。
充電效率提高20倍
除了提高能量密度之外，如何提高充電效率，也是研究者們的攻堅(jiān)重點(diǎn)之一。
最近，有一家名為Power Japan的日本公司宣稱它們和日本九州大學(xué)的研究人員們一起研發(fā)了一種碳電池，能夠?qū)㈦姵爻潆娦侍岣?0倍——能夠讓一輛尼桑聆風(fēng)在12分鐘內(nèi)完成充電，而不是以前的4小時(shí)。
據(jù)悉，Power Japan研發(fā)的碳電池在正負(fù)極上均采用了碳元素，因而被稱為“雙碳電池”，這種電池的能量密度將不低于任何鋰電池。
該公司同時(shí)指出，在采用雙碳性電池技術(shù)后，電池的充放電次數(shù)比鋰離子電池多20次，釋放的電量也比鋰離子電池單體多4伏特。而且，在測試中，其充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)3000次，足以維持電動車10年以上的電池壽命。Power Japan還聲稱，在充放電過程中，這種電池的溫度不會發(fā)生太大變化，大大減少了爆炸或起火的危險(xiǎn)。
我們可以看到，盡管雙碳電池的潛力不像鋰空氣電池那樣巨大，但如果驗(yàn)證為真的話，它對電動車市場的影響也不會遜色太多。
誰將成為未來電動車行業(yè)的霸主，哪種技術(shù)會成為新的主流，現(xiàn)在的我們都不得而知。對于電動車行業(yè)來說，任何革命都會帶來一個(gè)突破的契機(jī)，從而讓電動車在占領(lǐng)未來市場的道路上走得更加堅(jiān)穩(wěn)。
(作者為中國科學(xué)院教授)
