技研設：那些能治好里程焦慮的偏方

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相信現階段大部分新能源汽車，尤其是純電動汽車車主，都遭受著不同程度的用電焦慮。很多人對充電時間過長、續航里程不足的問題感到煩惱。但是，前輩，我發現這些頑疾很可能是靠你鄙視的牛糞解決的。你看和尚會不會胡說八道就知道了。

■牛糞拯救世界？

在那些好萊塢大片里，各種身懷絕技的超級英雄或者經歷過各種非人訓練的特工和間諜，才是拯救世界的人。然而，在現實世界中，拯救我們的往往是不起眼的人或事。今天故事的主角之一就是牛糞，這是很多城市孩子只聽說過，沒見過的“新事物”。

相信大家都知道純電動汽車的優點，但相信大家都知道缺點。即使使用DC快速充電，給饑餓的純電動汽車“喂食”的時間也要比給燃油車補充汽油和柴油的時間長得多。人生苦短，怎么能把寶貴的時間都浪費在充電站呢？

那么，沒有解決辦法嗎？事實上，20世紀（查成交價|參配|優惠政策）60年代就有答案了。這是燃料電池。它不是一項新技術，因為基本原理是19世紀（查成交價|參配|優惠政策）末由科學家發現的。新技術從實驗室到民用的轉變，總是需要一個坎坷的發展過程，而時間即將來到21世紀。

當然，新事物在解決現有問題的同時，往往也會帶來新的問題。比如燃料電池汽車零排放無污染，可以說是環保汽車的終極形態。然而，目前大規模生產氫燃料的技術還不是很成熟。具體來說，傳統的制氫工藝是通過電解水獲得氫氣。如果電解水的電能來自火力發電，就會產生碳排放問題。那么，環保這個詞的意義就大大降低了。

既然是問題，就有解決的辦法。不是，豐田在美國宣布正在長灘港建設可再生氫燃料提取設施。該設施每天可以利用牛糞釋放的甲烷生產1.2噸燃料，燃燒后可以產生2.35兆瓦的電力。

我們的故事還沒有結束。對于日本來說，地理原因使得其畜牧業遠不如歐美發達，沒有人愿意去做那些高成本開發的新技術無法引進國內使用的事情。另一方面，豐田已經開始在日本銷售Mirai未來組合，這證明仍然有一種產量、質量、成本和環保平衡的制氫方法。日本工程師如何解決問題？

當我在地理課上上學的時候，我會談論它。由于自身的地理原因，日本非常缺乏不可再生資源。未雨綢繆一直是從政府到企業的發展戰略。因此，早在千禧年前后，日本科學家就計算出了當時的能源消耗率。到2021年，日本國內電費將達到普通人因能源短缺無法承受的峰值。因此，選擇替代能源成為日本政府進入21世紀后發展規劃戰略的重中之重，核能是首先考慮的對象。

核電站事故給了燃料電池發展的機會。事實上，在地震前的前兩年，日本國產燃料電池已經悄然開始上市銷售，目標是成為家庭供電的重要組成部分，其中氫燃料是由天然氣生產的。

通過東京燃氣、大阪燃氣、吉昆日礦、西山麗能源等公司銷售的氫燃料，已經融入了日本普通民眾的生活。換句話說，經過近10年的發展，日本的氫燃料輸送系統已經相對完善。包括能源開采、基礎設施建設以及相關的分銷鏈體系，都比歐美國家成熟。在外人看來，豐田在這個時候推出Mirai未來組合有些不現實。其實更像是搶占當年的混動市場。他們已經看到了一條清晰的發展道路。

■凳子皮革！哦，不，這是一個很大的變化！

鋰離子電池和鋰離子電池相信大家都用過，內部結構有點像夾心餅干。兩面脆皮餅干就像正負等級，中間軟糯的夾心是電解質。我們之所以談論這個，是因為科學家們試圖改變中間的“三明治”材料，讓整個餅干變成固態。當然，他們不會白白浪費R&D的資金。這樣的改變可以大大增加電池的能量密度，對于用戶來說，我們的純電動汽車可以在不改變電池重量的情況下跑得更遠。

1991年，日本索尼公司和旭化成公司發布了第一款商用鋰離子電池。從那以后，他們的身影充斥著我們的生活。當然它也有自己的缺點，比如過充過放會明顯影響使用壽命，耐高溫能力稍弱。

受現有架構和關鍵正極材料的限制，市場上鋰離子電池的能量密度很難超過300Wh/kg。其中磷酸鐵鋰電池單體的能量密度很難超過140Wh/kg，大型三元鋰電池單體的能量密度高達220Wh/kg，實驗室的上限相對較高，但也只有300Wh/kg。當消費者不斷追求續航里程更長的車輛時，傳統的鋰離子電池似乎遙不可及。既然現實不能滿足需求，那就說明市場廣闊。

從上圖可以很容易看出，這兩種電池最大的區別就是電解質被固體電解質替代。換句話說，全固態電池中既沒有氣體也沒有液體，所有的材料都是以固體形式存在的。那么，不同的材質對我們的用戶有哪些明顯的好處呢？

-高能量密度

與市場上常見的鋰離子電池相比，全固態電池的能量密度有了很大的提高。國外一些實驗室已經研制出能量密度為300-400Wh/kg的全固態電池，與目前100-220Wh/kg的鋰離子電池相比，已經翻了一番。

-小尺寸

以上是“傳統”電池的結構圖。不難看出，它含有隔膜和電解液，兩者加起來占電池體積的近40%，質量的25%。在固態電池中，部分電解質被固體材料替代。日本研究人員表示，他們已經能夠將陽極和陰極之間的距離縮短到微米單位，從而大大減小電池的尺寸。未來，司機和乘客的空空間顯然會更大。

-更安全。

說到電動汽車動力電池組，除了蓄電能力，大家最關心的非安全性能不是別人，正是自己。畢竟車輛續航里程短也可以通過增加充電頻率來解決，可能會導致安全隱患，或者電池組引發的事故往往會對人身安全造成不可逆的傷害。

因為固態電池有這么多優勢，很多車企都向他們拋出了橄欖枝。除了以豐田和本田為首的日本廠商，就連火花塞領域的重要供應商NGK也提出轉型研發固態電池。當然，正如我們前面所說，新事物雖然可以解決現有的問題，但也會帶來新的麻煩。比如它的制造成本高，很難在短時間內進入普通消費者的生活，降低成本可能需要幾年甚至幾十年的時間。

全文摘要:

人們總說科技改變生活，但有時候科技的發展也會帶來新的問題。具體到車輛，雖然純電動汽車沒有尾氣排放，但上游環節的電能生產并不是零污染。充電時間過長、續航里程過短也是亟待解決的問題。幸運的是，這個世界上有工程師，無論是牛糞還是固態電池，這往往改變現有困境的是不起眼的東西或靈感。