电动车的“芯”革命

在美国加州有些地方，特别富有如拉霍拉，或者特别高科技如山景城，人们只要行走在街上就仿佛能够窥见未来的一隅。至少，是汽车工业的未来。在那些城镇里，路上开着的不是特斯拉就是尼桑聆风（Leaf），要不然就是其他款式的电动车。

不过，电动车真的是汽车工业的未来吗？摩根·斯坦利今年发布的一份报告让许多人的笃定变成了怀疑：除了特斯拉的Model S之外，目前市面上的纯电动车无一例外地统统没有达到市场预期目标；尽管法国雷诺公司曾经预言说，等到2020年全球汽车销量中将有10%是电动车，然而照现在的情况来看，到时候电动车能占据1%的市场就不错了。

北京的焦虑

究竟是什么让电动车撞上南墙？其实大家都知道，这都是所谓的“里程焦虑”在作祟。简单来说，就是人们担心电动车的续航能力不足。

电动车的拥趸们并不认为这是一个很大的问题。跟那些开电动车的司机们聊天，他们会告诉你，他们汽车的充电里程足以应付日常驾驶。事实上，有些人开玩笑说，他们的电动车里程“永远足够”，因为司机会根据车型、电量、旅程长短而调整自己的驾驶风格。

他们会举出一系列数字告诉你：研究表明，现今七至八成的城镇司机每天通勤和日常出行开车里程不超过150公里，而美国人的平均每日驾驶里程更是仅为50公里左右。在这种情况下，RAV4 EV所代表的主流电动车已经具有足够的续航能力。

在地球的另一边，北京雾霾最严重的日子，人们也开始畅想电动车取代汽油车的未来——在方便出行的同时，亦能拥有蓝天白云，那将多么美好？然而，在北京这样巨大的城市里，电动车的电池容量问题却不像美国加州那些司机们说得那样简单。在这里，“里程焦虑”不仅仅是媒体和不明真相的群众杞人忧天的说法。

想象一下这样的场景：

你住在燕郊，在五棵松上班，每天往返里程合计约为120公里。你开着一辆丰田RAV4 EV出门，根据美国环境保护署评测，它在充满电的情况下最多能开103英里（约合165公里），理论上足以应付这段里程。不过，你今天中午还开车出去吃了餐饭，回家路上遇到交通管制绕了一大圈，然后还遇上了严重的大塞车，于是你发现，你还有2公里才到家，而你的车已经彻底没电了。

又或者，你跟家人一起去昌平的温泉镇泡温泉，为了保证里程，你打算在那里顺便充电。但遗憾的是，当你开到酒店，才发现那里没有充电桩，于是你只能用家用充电头充电，结果却发现，8个小时下来，电量只增加了20%——这款车的充电时间非常长，如果采用家庭110V或者220V电源，需要44个小时才能充满。即使采用丰田出售的配套充电站，也需要5个小时左右。这也就意味着人们不可能指望能够像加油一样沿途充电。当然，你更不可能像对待手机电池一样多带一块备用，因为一个电池组的重量已经达到了380公斤。

这是非常现实的问题：随着房价的攀升，有越来越多在北京上班的人选择住到通州、燕郊、昌平或大兴等郊区，他们的通勤里程奇高，已经远远超出了所谓的“平均水平”；然而，又因为这些人居住的地方公共交通不够发达，所以他们才是北京私家车通行的主力军。

特斯拉革命

尽管有专家认为120英里（约合193公里）的续航里程已经足够，然而对于电动车来说，理想的状况依然是要达到与汽油车相媲美的公里数，亦即500公里左右。这个数字看来不大，然而市面上却仅有一款车能勉强达到，而那恰恰就是被摩根·斯坦利认定为唯一达到了市场预期的车型——特斯拉Model S。

Model S的电池采用松下提供的镍钴铝电池，整个电池组包含约8000块电池单元。单颗电池的容量为3100毫安时。这种电池容量和内阻在1000次充放电后都保持着相对稳定的水平。又因为钴酸锂电池能量密度大，但稳定性较差，为此Tesla研发了3级电源管理体系来确保电池组正常运作。这样的电池组具有极大的容量。

Model S具备三种不同的电池组规格，容量分别为40千瓦时、60千瓦时、85千瓦时，其中，85千瓦时的电池组可供汽车行驶300英里（约合482公里），足以满足大多数人的需要。

为了配合Model S的高效电池组，特斯拉还在全球各地布置SuperCharger充电站。这种充电站采用高压充电技术，以120kW的功率为电动车充电，可以在30分钟内为Model S充好能够开170英里（约合273公里）的电量。根据特斯拉官网提供的信息，他们已经在北美开设了94座这样的充电站，并且将在明年之内将这个数字提高到300座以上，让人们得以实现东西两岸之间的长途驾驶。

特斯拉的布局已经相当完整：电动车有能与汽油车相媲美的续航能力，亦可以像汽油车一样轻松补充能量，以实现长途旅行。按照这个发展势头，电动车取代汽油车也很有可能。然而，在理想与现实之间，仍有一个巨大的障碍，那就是价格。

为了实现超大电量，Model S的售价也相当高昂，85千瓦时版本在美国售价为93400美元，即使是抵扣掉7500美元的联邦税减免优惠后，也要8万多美元；而根据2013年《凯利蓝皮书》的统计，美国新车平均售价为32086美元，而且这都已经超出了大多数美国家庭的负荷能力。

而且，即使是Model S的镍钴铝电池，其电池组重量依然达到了1500磅（约合680公斤）。虽然储能效率远远高于同类产品，但考虑到跑同样里程的汽油车只需要50公升的油，两者之间依然有着巨大差距。于是，能否进一步提高电池能量密度，以及尽可能减少成本，就成为了电动车是否能够真正成为汽车工业未来的关键。

如果电池能呼吸

所谓能量密度，就是单位体积中包含的能量，单位是Wh/kg。我们知道，汽油的能量密度在13000Wh/kg左右，而现今世界上最好的锂离子电池的能量密度也仅为300Wh/kg左右，而特斯拉的电池单元能量密度预测在250Wh/kg左右（由于电池组还包括外壳、冷却系统及支架等附件重量，所以特斯拉的电池组能量密度只有125Wh/kg左右），这已是电动车电池行业的不二王者。然而，电动车想要取代燃油车，至少需要达到700Wh/kg的能量密度。

也就是说，锂离子电池就显然不可能是合适的选择。

如何造出更好的电池呢？无非是在正极、负极和电解质等材料上做文章。比如说，特斯拉的镍钴铝电池，就是采用了镍钴铝三元正极材料。为了更好地利用不同的复合材料，研究者们不仅要找出能用的材料，还要发现它们为什么能用，以及它们是怎样使用的，亦即，电子如何围绕这些材料而运作。

如今最热门的前沿项目是锂空气电池。锂空气电池的理论能量密度为5200Wh/kg，比起特斯拉电池的125Wh/kg来说高了一个数量级；如果不计算氧气重量，其理论能量密度更是高达11680Wh/kg，这就堪比汽油了。就算考虑到理论值和实际值的差距，也应该完全满足能电动车的需求。这样的潜力当然让研究者们感到十分兴奋，现在全球至少有上千家研究所正在致力于攻坚锂空气电池。

这种电池的工作原理也并不复杂：在放电过程氧分子与锂离子结合形成过氧化锂；而在随后的充电过程中，过氧化锂进行可逆分解，产生氧气，达到一种“循环呼吸”的效果。然而，科学家们却面临着两大问题——充放电效率和电池寿命。

先说充放电效率。由于锂空气电池的工作原理就是一个不断进行化学反应的过程，而化学反应是需要时间的，如果速度太慢的话，电池在充放电过程中的能量损失就会很高。在很长一段时间中，锂空气电池的放电效率都非常低，最高纪录也只有70%。

然后是电池寿命，在整个充放电的循环过程中，锂空气电池要求有稳定的电极和电解质环境，但金属锂又是一种非常活跃的物质，尤其是遇到水的时候，特别容易发生变化。所以，空气中的湿气会常常腐蚀电池里的锂，在几次充放电循环之后，锂空气电池就彻底无法使用了，这当然也不符合商用要求。

为了解决这些问题，科学家们各出奇招，在催化剂上做工夫，又将电解液材料、电极材料和电池结构进行反复调试。目前，最先进的锂空气电池已经能够实现500次循环充电，而且充放电效率也超过90%。

很显然，对于电动车行业来说，如果谁能最先掌握商用锂空气电池技术，谁就能够最快占据市场。大众汽车公司已经明确押宝于此，他们公开宣称要在2020年实现锂空气电池的量产化，并预期打造出一款续航里程高达800公里的超级电动车。作为电动车行业的领跑者，特斯拉也在开发金属空气电池。此前该公司曾被媒体披露拥有一项最新的专利，显示他们已经开发了一种由锂离子和金属空气（锂空气或者铝空气）电池组成的电池组，充一次电可以让汽车行驶达到400英里（约合650公里）。

尽管有专家认为120英里（约合193公里）的续航里程已经足够，然而对于电动车来说，理想的状况依然是要达到与汽油车相媲美的公里数，亦即500公里左右。

丰田的实验

汽车业界巨擘丰田公司所选择的方向，却与大众跟特斯拉不一样。这家在2011年与特斯拉签订1亿美元合作协定的公司，在2014年5月做出决定，不再延续与特斯拉进行电动车项目合作，而是将金钱和目光都转向燃料电池汽车。

所谓燃料电池，就是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的电池。它可以是氢燃料电池，也可以是生物燃料电池。从表面上来看，它也像普通电池一样有正极、负极和电解质等等，但事实上，它却不是一个蓄电池，而是一个发电装置。尽管，按照前通用研发部门负责人拉里·布恩斯的说法，燃料电池亦是电池技术的一种，所以燃料电池汽车也依然属于电动车范畴。

比起目前还是实验室产品的锂空气电池来说，燃料电池在汽车工业的应用历史就长得多了。丰田从2002年起就已经尝试发售过燃料电池混合动力汽车“丰田FCHV”，并且在此后不断在生产中进行技术迭代，因而在商业化上有着天然的优势。

燃料电池最大的优势在于体积小、分量轻但储能很高。今年年初，弗吉尼亚理工大学的一个研究团队就曾开发出一种“糖能燃料电池”，能量密度达到了锂离子电池的10倍。丰田公司预计在2015年左右上市的燃料电池车FCV-R亦是绝佳证明。根据丰田提供的资料，这款新车将有着至少500公里的续航能力，而且加燃料时间不会超过3分钟，综合来看，这样的表现将远远优于特斯拉Model S，已经达到了燃油车的水平。

然而，燃料电池的问题在于，其最大输出功率不足，也就是说，燃料电池车开不快。丰田公司说，FCV-R的最大输出功率将是FCHV的两倍，至少也在100kW以上。但这样的数字事实上依然低于丰田自己的锂离子电池动力车RAV4 EV（154kW），而且远远低于Model S（310kW），比起燃油车来说差距更远。另外，在动力扭矩输出也就是汽车加速性能上，燃料电池汽车也有着天然的弱势。

充电效率提高20倍

除了提高能量密度之外，如何提高充电效率，也是研究者们的攻坚重点之一。最近，有一家名为Power Japan的日本公司宣称他们和日本九州大学的研究人员们一起研发了一种碳电池，能够将电池充电效率提高20倍之多——他们能够让一辆尼桑聆风在12分钟内完成充电，而不是以前的4小时。这款车的电池是24千瓦的电容量，稍微估算一下就知道，新技术能让特斯拉S型电动车的85千瓦电池在42分钟内完成充电。

当前的锂离子电池技术，普遍采用了金属作为正极，用石墨等碳元素材料作为负极。然而，Power Japan研发的碳电池却是在正负极上均采用了碳元素，因而被称为“双碳电池”。尽管Power Japan并未透露太多的技术细节，只是说对碳晶体纳米材料进行了改造，然而他们同时披露，他们已经利用18650电池（市面上大多数笔记本电脑和电动车用的就是这种电池）的电芯基础上制造出新的双碳电池，也就是说，这种电池的能量密度将不低于任何锂电池，而且由于碳元素成本低于金属成本的缘故，其造价会比原有锂电池更低。

该公司同时指出，在采用双碳性电池技术后，18650电池的充放电次数比前者多20次，释放的电量也比锂离子电池单体多4伏特。而且，在测试中，其充放电循环次数可达3000次，足以维持电动车10年以上的电池寿命。更可怕的是，Power Japan还声称，在充放电过程中，这种电池的温度不会发生太大变化，大大减少了爆炸或起火的危险。

我们可以看到，尽管双碳电池的潜力不像锂空气电池那样巨大，但如果验证为真的话，它对电动车市场的影响却不会逊色太多。因为，这款电池不仅突破了充电困难这样一个巨大的技术瓶颈，还十分有利于投入市场——根据Power Japan的说法，他们所需要的碳材料利用现有的生产工艺就能实现，而且生产模式也跟目前18650电池相同。

谁将成为未来电动车行业的霸主？哪种技术会成为新的主流？现在的我们都不得而知，对于电动车行业来说，任何革命都会带来一个突破的契机，让电动车在占领未来市场的道路上走得更坚定一点。