锂离子电池与绿色出行

文/夏永姚

刚刚过去的2018年,被称为我国新能源汽车元年。我国汽车行业“双积分”政策从2018年4月1日正式施行,逐步取代原来的新能源汽车补贴政策,也就是说,我国政府从对新能源汽车直接补贴逐步转向对传统燃油车收取碳税以补贴新能源汽车。
我国纯电动汽车企业如雨后春笋般涌现,纷纷发布自家量产版新能源汽车。老牌汽车厂商也不甘落后,纷纷发布新能源汽车产品线。
相对于传统燃油车,新能源汽车大大降低了对石油等化石资源的依赖。纯电动汽车是新能源汽车中最具代表性的车型。目前已经发售的大多数纯电动汽车,搭载的都是锂离子电池组。

高性能的锂离子电池
商品化的锂离子电池,最初于1991年由日本索尼公司制造。经过近30年的发展,锂离子电池的技术、工艺等各方面得到了长足进步,如今在我们的日常生活中已有了广泛的应用。
衡量电池性能,主要从几项基本指标入手。比如,我们希望电池很安全,不能在使用过程中着火爆炸(电池安全性);希望电池能够用很多年,不要几次后就无法继续使用(电池工作寿命);我们希望电池轻便,体积小,不占太多空间(电池能量密度);希望电池充电时间短,放电电流足够大(电池功率密度);我们希望电池价格不要太高(经济性)等。
综合考虑这些因素,锂离子电池应该是目前性能最好的电池了。这也是锂离子电池被广泛应用于纯电动汽车等新能源领域的重要原因。为了满足新能源行业对高性能锂离子电池的需求,业界对电池发展有明确的目标。为此很多新的锂电池体系被设计出来,包括锂空气电池、锂硫电池、全固态锂电池等。

适合绿色出行
锂离子电池作为一种能量密度高、性能优异的二次电池(即可充电电池),在出行领域有着广泛的应用。从街头常见的单人平衡车和电动自行车,到大型的纯电动汽车,再到公共交通领域普遍应用的电动大巴车和电动列车,锂离子电池都扮演着重要的角色。
纯电动汽车其实和电动玩具车的构成原理类似,本质上都是由电池、电机和车身组成。但是考虑到电动汽车比电动玩具车要大得多,电池当然也要大得多。
如果以华为Mate 20 Pro手机(以下简称华为手机)里的锂离子电池为基准,那么一辆国产自主品牌的蔚来EP9电动跑车,拥有的锂离子电池组容量(108千瓦时),大约相当于7000部华为手机的电池容量。同样,一辆国产自主品牌的前途K50电动车,拥有的78.84千瓦时容量的电池组,相当于5000多部华为手机的电池容量。
容量大的锂离子电池组,可以让电动汽车跑得更远,也就是电动汽车的续航里程更长。但是在实际使用过程中,纯电动汽车实际续航里程只能达到标称续航里程的80%。对于那些没有电池主动加热系统的纯电动汽车,在冬天的低温环境和开启暖气的工况下,其实际续航里程可能只有标称续航里程的60%~70%。
当然,300千米左右的续航里程应对一般的市区出行绰绰有余。但是对于长途出行,相比传统燃油汽车的续航里程,纯电动汽车还有很大的发展空间。

退役后的梯次利用
电动汽车用锂离子电池,一般可以经历1000多次充电,也就是说,如果一辆纯电动汽车平均两天充电一次,那么其电池能稳定使用五年以上。五年后,这些电池能够存储的电量会衰落到最初的80%,也就无法满足电动汽车等储能设备的需求了。
电动汽车用锂离子电池退役后,当然不能像手机电池那样直接被丢弃。只有规范、高效、梯次利用这些退役的电动汽车电池,才能够产生巨大的经济效益和环境效益。
尽管锂离子电池性能卓越,但是高昂的价格限制了其更为广泛的应用。目前来看,锂离子电池主要应用在手机、笔记本电脑和高端电动汽车等价格较高的设备。其他很多领域,对高容量电池也有巨大的需求,但是限于锂离子电池高昂的成本,只能望而却步。
不过,如果大型储能领域使用退役的电动汽车锂离子电池,就可以极大降低使用成本。因此,对太阳能和风能领域而言,这种储能电池带来了莫大的福音。
我国西北地区有着丰富的太阳能和风能资源,通过太阳能电池板和大型风力发电机,可转换成电能。但是,由于不能稳定地输出电力,发电时间不能和用户用电时间同步,因此又被称为垃圾电——大部分电能无法接入电网输送给用户。
如果能够通过储能设备将这些风能和太阳能储存起来,就可以实现具有经济效益的变废为宝。但是对于风力发电和光伏发电来说,发电成本很低,而储能成本很高。即使是使用成本相对较低的电化学储能设备(如全钒液流电池等),其每度电的储能成本还是远远高于发电(风力发电、光伏发电)成本。
正是由于现阶段储能成本的居高不下,退役的锂离子电池才可以迎来新生。如果不考虑储能效率,其储能成本基本可以忽略不计。
当退役的锂离子电池发挥了储能价值后,也到了“寿终正寝”的时候。它们会被回收到电池工厂,拆解分离成原始材料,再次被组装为锂离子电池,开始它们新的一生。
目前,电动汽车的销量还没有爆发式增长,电动汽车用锂离子电池还没有集中退役,因此锂离子电池尚未得到高效、梯度利用。但是,对锂离子电池梯度利用的理论研究和实践验证,是刻不容缓的。电动汽车用锂离子电池的大规模退役就在未来几年,如何用好这些退役电池,任重道远。
发展新能源汽车是国家大计。我们希望通过电动汽车的可持续发展,逐步减少对燃油车的使用,减少对进口石油的依赖,从而减少对环境的不可逆污染。
在新能源发展过程中,最重要的是对国产化发展的支持。一个电池、一部手机、一辆电动汽车、一块太阳能电池板,以及一套风力发电机组的研发、设计、制造和销售,每一个环节都能够创造财富和提供工作岗位。如果这些产业能更多地留在我国,就能使我国更有国际竞争力,人民的生活水平也能得以提升。

(本文作者夏永姚,工学博士,博士生导师,复旦大学特聘教授。主要从事新型储能材料和技术的研究,包括锂离子电池、电化学电容器和新型电池体系等)

锂离子电池一般由正极材料(包括钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂等)、负极材料(一般为石墨)、液体电解质、隔膜和电池壳体等组成。
正极和负极分别有不同的化学势,大小取决于发生在电极上的氧化还原半反应。电极在外电路连通时,电子自发从负极流向正极,离子穿过电解质从而保持电荷守恒,进而实现化学能向电能转化。在二次电池中,反方向的高电压会使上述过程逆向发生,从而使电池充电。

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