蘇更林

從2014年以來，中國的新能源汽車發(fā)展進入快車道，并在2015年出現(xiàn)爆發(fā)式增長，無論是2015年單年銷量還是歷史累計銷量，都已經(jīng)位居世界第一。2016年初，國家又確定多項支持新能源汽車的措施，其中就包括加快實現(xiàn)動力電池的革命性突破。

新能源車不是新事物

所謂新能源汽車，是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源。雖然新能源汽車不局限于電動汽車，但在現(xiàn)階段，電動汽車幾乎成了新能源汽車的代名詞。

雖然被稱為新能源汽車，但電動汽車卻并不是一個新事物，它的歷史比內(nèi)燃機動力汽車更長。早在1834年，英國人托馬斯·德文波特就制造出一種蓄電池驅(qū)動的電動三輪車，但這種電池不可以充電，只能行駛不長的距離。1873年，英國人羅伯特·戴維森制作了一種實用的電動汽車，其電池為鐵、鋅、汞合金與硫酸進行反應(yīng)的一次電池。1881年，法國工程師古斯塔夫·特魯夫研制成功了世界上第一輛可充電的電動三輪車，采用的是鉛酸蓄電池。

美國發(fā)明家愛迪生為了給電動汽車找到一種重量輕、壽命長、電量足和易充電的電池而付出了10年的艱苦努力，最終發(fā)明了一種由鎳、鐵和堿溶液制成的新型蓄電池。這種鐵鎳電池曾一度成為電動汽車的主要能源，使得電動汽車能與內(nèi)燃機動力汽車相媲美?？上У氖牵捎诙喾矫娴脑?，愛迪生發(fā)明的鐵鎳電池并沒有幫助電動汽車在汽車發(fā)展史上取得決定性勝利。

動力電池比拼

我們常說的電動汽車，一般是指全部或部分由電能驅(qū)動電機作為動力系統(tǒng)的汽車，它包括燃料電池電動、純電動和混合動力電動三種類型。無論哪種動力來源的電動汽車，最終都要依靠電池來供電。電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，所以又叫化學(xué)電池。與不能充電的一次電池不同，動力電池需是可充電的蓄電池。

衡量動力電池的主要性能指標包括比能量、比功率和使用壽命。比功率指的是電池單位質(zhì)量輸出的電能，它決定了汽車的瞬間最大速度。比能量是電池的功率與電池質(zhì)量之比，它決定了汽車行駛的時間長短。而使用壽命則是越長越好。

目前，在純電動汽車中，使用的是鉛酸蓄電池和鋰電池；在混合動力汽車中，使用的是鎳氫電池；在燃料電池汽車中，使用的則是質(zhì)子膜交換電池。

鉛酸蓄電池是目前唯一進行大批量生產(chǎn)的電池，可靠性很好，比功率基本能滿足電動汽車的動力性能要求。世界上第一塊鉛酸蓄電池是1859年法國物理學(xué)家普蘭特發(fā)明的。鉛酸蓄電池是一種能實現(xiàn)電能和化學(xué)能互換的技術(shù)裝置，由四個主要部分組成，即電極板（陽極板與陰極板）、電解液、隔離板以及電槽。鉛酸蓄電池中最為重要的材料就是鉛極板，電解液則

是硫酸。由于鉛酸蓄電池具有良好的可逆性，電壓特性平穩(wěn)，使用壽命長，并且具有材料廉價、工藝簡單、技術(shù)成熟、自放電低、免維護等特性，被廣泛用于交通運輸、通訊、電力、計算機系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。但鉛酸蓄電池的缺點是比能量較低，因而會加重汽車重量。

鋰電池具有體積小、比能量和比功率高、無污染環(huán)保等優(yōu)點，同時它的自放電低，相對穩(wěn)定。但鋰電池不能快速充電，可靠性、安全性差，成本高，技術(shù)不成熟，高溫性能差。

鎳氫電池為第二代堿性蓄電池，比能量和比功率都較高，可實現(xiàn)快速充電，沒有污染。但是鎳氫電池還存在自放電高、成本較高、高溫性能差等缺陷。

質(zhì)子膜交換電池屬于第三代電池，其能量轉(zhuǎn)換效率高，比能量和比功率也很高，能量轉(zhuǎn)化過程可以連續(xù)進行，因此是理想的車用電池。但該電池的關(guān)鍵技術(shù)還有待進一步突破。

動力強大的“超級電池”

發(fā)展電動汽車的瓶頸在于電池，因此研制安全高效的動力電池已成為電動汽車發(fā)展的突破口。動力電池作為電動汽車能源的直接供給者，不僅決定了電動汽車的行駛里程，而且關(guān)系到電動汽車的節(jié)能、環(huán)保、安全等方面的性能。

我國科學(xué)家在研究中發(fā)現(xiàn)，氮原子在石墨烯中的結(jié)構(gòu)不僅影響電極材料的氧化還原電位，還決定了電極材料的電容量。這一重要發(fā)現(xiàn)為設(shè)計高電化學(xué)活性的電極材料提供了新的思路。據(jù)悉，科學(xué)家合成的氮摻雜有序介孔石墨烯，具有非常優(yōu)異的電化學(xué)儲能特性，電容量可達到855法拉/克，作為超級電容器的新型電極材料。

超級電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的電化學(xué)儲能裝置，主要由電極、電解液、隔膜和集流體組成，其中的電極是決定超級電容器性能的核心部件。目前常用的活性炭電極，盡管比表面積大、穩(wěn)定性好、功率密度高，但是電容量卻小于250法拉/克。

作為一種新型的高性能儲能器件，超級電容器不僅能滿足動力電池安全穩(wěn)定快速充電的要求，還實現(xiàn)了峰值（啟動、爬坡、剎車等）需要的高功率輸出。其中全碳系可實現(xiàn)30秒充電，鎳-碳和鉛-碳系可實現(xiàn)半小時完成充電，充電時間是傳統(tǒng)電池的1/10～1/5。

我國科學(xué)家自主研制的新一代大功率石墨烯超級電容，其功率提升了3倍，性能指標居于世界領(lǐng)先水平。其中3伏12000法拉石墨烯活性炭復(fù)合電極超級電容和2.8伏30000法拉石墨烯納米混合型超級電容代表了目前世界超級電容單體技術(shù)的最高水平。

在世界范圍內(nèi)，有科學(xué)家寄希望于用石墨烯材料攻克鋰空氣電池開發(fā)中的一些技術(shù)難題。英國科學(xué)家用石墨烯構(gòu)造高度多孔、海綿狀的碳電極，并加入一些添加劑使其保持穩(wěn)定的化學(xué)性能，從而解決了鋰空氣電池易爆炸的難題。還有科學(xué)家通過在碳化硅電極的表面添加石墨烯涂層，有效擴展了陽極的表面積。同時與陰極所使用的鋰鈷氧化物進行組合，從而提高了電池的能量密度和壽命。

業(yè)內(nèi)人士認為，目前鋰離子電池技術(shù)發(fā)展已經(jīng)遭遇到“瓶頸”，發(fā)展超級動力電池刻不容緩。新型儲能裝置超級電容代表了未來的發(fā)展趨勢，但超級電容也許不是鋰離子電池的替代品。超級電容和鋰離子電池各有長短，也許配合使用，互補不足，才更具有現(xiàn)實的意義。同時，開發(fā)新型超級動力電池責(zé)任重大，道路曲折，使命光榮。

【責(zé)任編輯】龐 云