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凭材料革新突飞猛进 电动汽车性能将超过汽油车【图文】

2014-02-07 00:02
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  现行纯电动汽车的基本性能在很多地方还都赶不上汽油车。但是,包括能够行驶更长距离的充电电池和能够大幅降低成本的燃料电池技术在内,支撑新一代纯电动汽车的有力技术正在稳步发展。

  “2016财年之后还要等2~3年”——在“第43届东京车展2013”上,日产汽车社长兼首席执行官卡洛斯·戈恩(Carlos Ghosn)调整了纯电动汽车(EV)的普及计划。而按照戈恩之前提出的目标,日产汽车与法国雷诺相加,EV的销量要在2016财年之前便达到150万辆。

  谈到目标为何落空,戈恩认为充电基础设施不够完善是原因之一。但反言之,这也意味着现行EV的行驶距离达不到要求。也就是说,要想在今后将EV打造成为具有魅力的产品,只有提高直接影响行驶距离的车载充电电池的容量一条路可走(图1)。

  图1:纯电动汽车依靠材料革新克服课题

  面对纯电动汽车存在的诸多课题,通过改进材料,探索根本解决措施的动态愈发活跃。无线供电通过结合自动泊车技术提高便利性。

  2015年要开始投入量产的燃料电池车(FCV)面临着成本与量产性的课题。最大的阻碍是燃料电池组使用的铂(Pt)催化剂。如何减少铂的使用量,或是实现“无铂”将成为车辆开发的竞争焦点。

  纯电动汽车的主要部件——驱动马达也存在资源风险。为了防止温度上升时磁性减弱,驱动马达使用的钕-铁-硼(Nd-Fe-B)类烧结磁铁(钕磁铁)添加有稀土镝(Dy)。为了避免价格暴涨和资源风险,发展无镝马达的步伐也在加快。现如今,逆变器对于提高效率、小型化的需求越来越大,低成本、低损耗的新一代功率半导体备受期待。

  提升纯电动汽车便利性的开发也在推进之中。在无线传输电能的无线供电方面,关于标准化的讨论正在如火如荼地进行。日产汽车已经公开宣布“要在2014年内投放配备无线供电功能的EV”(戈恩)。

  充电电池:纯电动汽车和燃料电池车的核心部件,对于新材料的探索仍在继续

  EV的销售增长虽然不及预期,但毋庸置疑的是,在未来,随着二氧化碳排放标准的强化,EV必将成为重要的战略车型。EV普及的一大关键,在于高能量密度的充电电池的开发。

  另一方面,企业要想满足环境标准的要求,除了发展EV之外,普及利用燃料电池替代发动机的FCV也是一个方向。FCV也需要配备充电电池。根据充电电池性能的不同,燃料电池需要的输出功率也大不相同。

  在此背景下,全球的充电电池开发竞争日趋激烈。开发的主线是为锂离子充电电池探索新的可用材料(图2)。现行EV锂离子充电电池一个单元的能量密度为60~140Wh/kg。小型EV充电1次只能行驶160公里左右。因此,EV首先需要将电池单元的能量密度提高到250Wh/kg左右,使1次充电的行驶距离达到约300公里。

  图2:纯电动汽车的普及必须依靠电池性能的飞跃

  EV和PHEV使用的锂离子充电电池的能量密度将力争在2020年达到250Wh/kg,在2030年达到500Wh/kg,实现全面普及。

  为了提高容量,硅(Si)类负极材料即将在车载领域投入实用。在理论上,硅能够实现的容量,约是当前使用的石墨材料的10倍。但硅在充放电时的膨胀和收缩过大,寿命方面存在难点。

  作为改善膨胀和收缩问题,同时提高容量的材料,一氧化硅(SiO)等硅类氧化物成为了关注的焦点。例如,大阪钛业科技推出了具备非晶构造的一氧化硅。该公司制造的一氧化硅的负极容量为1700~1800mAh/g,大约是石墨的5倍。

  积水化学工业也证实,通过利用自主开发的硅类氧化物,能够实现340Wh/kg左右的能量密度。其特点是使用离子导电度与电解液相当的凝胶电解质,无需注入电解液,只需一道涂布工序即可完成整个单元的制造。

  积水化学工业将从2014年夏季开始供应样品,在2015年首先面向消费类用途实现商品化。而车载用途需要材料认证、适用审查等繁琐的步骤,商品化最早也要等到2018年前后。

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