新能源車要沖破電化學(xué)的“城墻口”

“能源是制約我國未來發(fā)展最為重要的問題之一。我國2018年原油產(chǎn)量加上凈進(jìn)口量達(dá)6.3億噸，對(duì)外依存度高達(dá)69.8%。燃油汽車是否能夠持續(xù)快速增長?不可能!”中國工程院院士、固體表面物理化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)主任、廈門大學(xué)教授孫世剛近日在昆明進(jìn)行《云南科學(xué)大講堂》演講時(shí)如是說。

根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局和公安部的數(shù)據(jù)表明，我國汽車銷售量驚人，連續(xù)十年位居世界第一位。2018年，全國機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.27億輛，是不折不扣的化石能源消費(fèi)“大戶”。同年，新能源汽車保有量261萬輛，居世界首位，但僅占機(jī)動(dòng)車保有量的0.8%。

按照規(guī)劃，我國到2020年新能源車保有量500萬輛，2030年達(dá)到8千萬至1億輛。“我們的電動(dòng)車發(fā)展速度和規(guī)模世界第一，但仍然落后于規(guī)劃。電動(dòng)車的重要性越來越凸顯，為何發(fā)展還是相對(duì)較慢?電池性能是電動(dòng)車發(fā)展的主要瓶頸!”孫世剛院士說，電動(dòng)汽車與燃油車競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)在于速度、續(xù)航里程、可靠性以及價(jià)格，提高電池能量密度是減小電池自重量、提升巡航里程的關(guān)鍵。

目前，新能源汽車電池主要分為電化學(xué)能源儲(chǔ)存和電化學(xué)能源轉(zhuǎn)換兩大類，也就是人們常說的充電電池或二次電池，以及燃料電池。按目前的路徑看，鋰離子電池更適合替代汽油機(jī)，而氫燃料電池更適合替代柴油機(jī)。通常汽車加一次油行駛500公里左右，新能源汽車要達(dá)到這一指標(biāo)，要求電池的能量密度高達(dá)500瓦時(shí)/千克，相應(yīng)的電極容量為正極材料需大于250毫安時(shí)/克，負(fù)極材料需大于1000毫安時(shí)/克。

孫世剛院士說：“看似簡單，但這中間存在很多前所未有的技術(shù)問題，需要逐一去解決。”通常，電池的能量密度取決于正極和負(fù)極材料的能量容量，其功率密度取決于正極和負(fù)極材料的倍率性能，其使用壽命取決于正極和負(fù)極材料的循環(huán)性能，而快速發(fā)展的電動(dòng)車、規(guī)模儲(chǔ)能、5G、AI等對(duì)二次電池提出了越來越高的要求，需要進(jìn)一步突破從正負(fù)極材料的藩籬，組合形成不同能量和功率的鋰離子電池，從而滿足電池高能量密度、高功率密度、高安全性、長壽命、寬工作溫度和低成本的要求。目前，鋰-硫電池、鋰-空氣電池或?qū)⒊蔀橄乱淮囯姵氐氖走x，鈉電池也成為儲(chǔ)能電池的重要備選。

在燃料電池方面，也有諸多難題需要攻克，因?yàn)椴恢故请妱?dòng)汽車，各種地面發(fā)電站、偏遠(yuǎn)地區(qū)能源、心臟起搏器等醫(yī)療動(dòng)力、移動(dòng)通訊辦公都仰仗燃料電池。目前，要提高車用燃料電池的性能，提升催化材料鉑族金屬的利用率是最大的挑戰(zhàn)。鉑族金屬資源稀少、價(jià)格高昂，進(jìn)一步改善催化劑表面結(jié)構(gòu)與性能是重要的路徑，目前，固體表面物理化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，以及云南貴金屬研究所等單位正加緊攻關(guān)。此外，開發(fā)非貴金屬催化劑也是大勢(shì)所趨。

孫世剛院士還認(rèn)為，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也是目前新能源汽車發(fā)展中面臨的重要挑戰(zhàn)。到2018年底，我國累計(jì)建成公共充電樁約72.8萬臺(tái)，但這個(gè)建設(shè)速度，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上新能源車增長的速度和需求。同時(shí)，按照中國汽車工程學(xué)會(huì)公布的《節(jié)能與新能源汽車路線圖》，到2020年，燃料電池加氫站將超過100座;到2025年，超過300座，但截至2018年9月，我國僅有23座運(yùn)營，26座在建。建設(shè)速度慢，成本高昂是一大原因。目前建設(shè)一座每天加注200公斤氫氣的加氫站，不含土地成本，需要800萬元至1000萬元人民幣。

在接受科技日?qǐng)?bào)記者專訪時(shí)，孫世剛院士還強(qiáng)調(diào)指出，目前我國亟須開發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電化學(xué)能源新材料、新體系、發(fā)展新機(jī)制、新理論。在現(xiàn)階段，我國已有重點(diǎn)布局，設(shè)立了許多重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，把資金投向最關(guān)鍵的領(lǐng)域，其中就包含了電池、電控系統(tǒng)等。這個(gè)過程中，人才也在不斷提升。另外，全球新能源發(fā)展形勢(shì)很快，作為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)主體，企業(yè)要瞄準(zhǔn)一個(gè)方向，堅(jiān)持不懈攻關(guān)，不怕失敗，一個(gè)問題一個(gè)問題解決。