如果你有幸造訪美國加州像拉霍亞(La Jolla)這些超級富豪云集的地區,或者去到像芒廷維尤(Mountain View)這些高科技公司扎堆的地方,就有機會領略未來。
確切地說,領略汽車業未來。特斯拉、日產聆風和豐田普銳斯或類似的汽車,在路面上比比皆是。電動汽車和混合動力汽車與普通燃油汽車在車流中交相輝映；許多企業、購買中心和家庭也都安裝了充電樁。
如果電動汽車廠商們果真如愿以償,這就是我們在某個時段都會置身于其中的未來;汽車廠商們正不惜投入巨資,讓這一幕成為現實。問題是,將小片地區的需求變成全國地區的需求有多容易?
在加州另一處,埃隆·馬斯克(Elon Musk)創辦的特斯拉汽車公司(Tesla Motors)最近提議計劃,在尚未披露的美國西南地區新建一家巨型電池工廠(具體廠址成了熱議話題)。這個所謂的“千兆工廠”預計造價高達50億美元,定于2020年生產的鋰離子電池可滿足50萬輛汽車的需求——年產量超過2013年全球年產量。
可是一些人士認為,等到這家工廠破土開張,特斯拉的計劃到時似乎就過時了。IHS Automotive是領先的全球汽車業務情報提供商,該公司的高級規劃主管菲爾·戈特認為 , 特斯拉的宏偉計劃“恐怕考慮欠周”。原因是,正在研發的新技術有望提供更出色的替代技術,解決專家們所說的電動汽車面臨的最大阻礙因素之一。
電動汽車面臨的這個問題就是,電池又大又重；因而,安裝上去的電池數量很有限。比如說,特斯拉 Model S 的電池組平鋪在汽車地板上,大概長2米、寬1.2米。在頂級配置車型中,電池組提供大約300 英里(482 公里)的行駛里程,之后就需要插入充電樁充電。日產聆風充一次電可以跑 80 英里(128 公里)左右。除此之外,充電過程比起只需加油要慢得多。
那么,如何才能生產出性能更好的電池?從最基本層面來說,電池含有正負極、隔板和電解質。許多不同類型的材料可以用作電解質,不同的材料組合讓電池可以貯存不同數量的能量。不過,要是材料發生變化,電池續航時間和安全特征也隨之變化,所以總是少不了折中辦法。鋰離子電池大行其道,但發生過鋰電池在飛機上短路起火的事件,因而攜帶受嚴格限制。任何活性更強或不穩定的電池都有安全隱患。不過,如果設計出最佳的材料組合,有望獲得巨大回報。
在最近研究工作之前的數十年中,電池技術已得到了一系列改進。
最先問世的是鉛酸電池,這種電池今天仍然廣泛應用于汽車,它們個頭龐大。接著出現了鎳鎘(NiCad)電池,這種可充電電池由此開啟了便攜式技術唱主角的新時代:筆記本電腦和手機等移動設備,還有我們小時候的遙控汽車。再后來出現了鎳氫(NiMH)電池,電池容量或能量密度大概翻了一番。現在,現代化的設備和電動汽車普遍使用鋰離子(Li-ion)電池。
展望未來,準備迎接名字越來越復雜的電池技術,比如鋰鎳錳鈷氧(LiNiMnCo)電池。這種材料的特性很復雜;眼下,研究人員致力于不僅搞清楚為何這些材料能工作,還要搞清楚如何工作——電子在材料中移動的基本物理原理。
丹尼爾·亞伯拉罕(Daniel Abraham)是美國阿爾貢國家實驗室的材料科學家,他說:“我們阿爾貢國家實驗室在研究一些材料,它們有望將電池當前的能量密度提高一倍。我們先夢想或設想想要處理的材料,然后努力在實驗室合成材料。”
目前,備受矚目的幾種電池包括:鋰空氣電池(更確切地說是鋰氧氣電池)和鋰硫電池。若能做到可以在各種條件下正常工作,鋰氧氣電池的性能有望比目前的鋰離子電池大幅提升,提高整整一個數量級。亞伯拉罕說:“ 這是當前一個非常熱門的研究領域。”
的確,大眾汽車公司最近暗示,它在研究鋰空氣電池。由于開發工作還沒有最終完成,大眾采用的具體的化學/材料組合還沒有透露。這家公司的工程師們甚至不愿表示這項技術已在汽車中進行了測試,還是仍處在“實驗臺”階段。
不過,雖然這項技術有望帶來變革,但想要生產出工作起來持續、可靠、安全的鋰空氣電池,還面臨一大堆技術挑戰。到目前為止,試驗證明電極很不穩定。
不過世界各地的實驗室正在努力破解這個難題,試圖克服種種缺點。但愿更重視這些“超鋰離子”技術,會確保研發過程加快,并從長遠來看,確保汽車跑得更快、跑得更遠。
