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        深挖新能源車企“痛點”: 石墨烯電池是噱頭,但快充和長續(xù)航有望兼顧

        2020-04-02 12:05:10小文
        海外星云 2020年23期
        關(guān)鍵詞:負極痛點續(xù)航

        蔚來、上汽智己、廣汽埃安陸續(xù)宣布,將推出續(xù)航里程超過 1000 公里的電動汽車,高調(diào)宣布將進入長續(xù)航賽道。不僅如此,廣汽埃安還稱其研發(fā)了一款石墨烯基快充電池,8分鐘就可充滿 80% 的電量,不少人對其真實性產(chǎn)生了懷疑。

        中國科學(xué)院院士、汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室主任歐陽明高也稱,“如果某一位說他的車既能跑一千公里,又能幾分鐘充完電,還特別地安全,而且成本還非常低,那大家不用相信,因為這在目前是不可能同時達到的。”

        對此,廣汽集團表示,石墨烯基電池針對“快充”,硅負極電池針對“長續(xù)航”,二者是兩種不同的技術(shù)。盡管如此,我們依然可以感受到車企對于“快充 ”以及 “長續(xù)航 ”能力的執(zhí)著,背后體現(xiàn)的是企業(yè)對于技術(shù)創(chuàng)新上的焦慮,也是其痛點所在。

        石墨烯概念圖

        國家電動乘用車技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟技術(shù)委員會主任王秉剛在接受采訪時評價道:“車企之所以會產(chǎn)生這種焦慮、攀比,主要是自身人為造成?!薄澳壳靶履茉雌嚲哂幸欢ǖ倪m用范圍,主要以城市內(nèi)部為主,大部分車型能夠做到 400公里、500 公里的續(xù)航,其實就足夠了?!?/p>

        回到技術(shù)問題,車企所宣傳的石墨烯基電池是如何達到“快充”,硅負極電池又為何能提供長續(xù)航能力?本文將從技術(shù)角度深度挖掘新能源車企的痛點,探討電動行業(yè)的未來。

        當(dāng)石墨烯遇上電池,其噱頭遠大于價值

        廣汽埃安稱其研發(fā)的石墨烯基快充電池,8 分鐘就可充滿 80% 的電量,聽起來比手機充電的速度還要快得多,可消費者真的需要充電這么快嗎?

        這里提到一個“石墨烯基電池”的概念,需要注意的是,它并不等于石墨烯電池,而且二者相去甚遠。

        目前看來,石墨烯在電池上的應(yīng)用僅限于用作少量的導(dǎo)電劑,并未對電池的性能做出主要貢獻,也就是說這種以“石墨烯基”命名的電池,就已經(jīng)夸大了電池中石墨烯的作用。

        石墨烯是已知強度最高的納米材料之一,它擁有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能,電子在石墨烯中流動更快,因此用石墨烯做導(dǎo)電劑可以促進快充放。

        2016 年底,華為瓦特實驗室推出一款石墨烯基鋰離子電池,據(jù)該實驗室首席科學(xué)家李陽興博士當(dāng)時描述稱,這項突破主要來自三個方面:在電解液中加入特殊添加劑,除去痕量水,避免電解液的高溫分解;電池正極選用改性的大單晶三元材料,提高材料的熱穩(wěn)定性;同時,采用新型材料石墨烯,可實現(xiàn)鋰離子電池與環(huán)境間的高效散熱。

        在李陽興的描述中,石墨烯被放到了第三位,其對鋰電池的貢獻程度顯而易見。

        鑒于石墨烯具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能,它更適合用來制備電容。電容與電池的原理和用處均不同,電容只是用來存儲電荷,充放電都在瞬間完成;而電池是用來儲存電能的,涉及到電能與化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)化,這些也是電容無法完成的。

        因此,加入了石墨烯的鋰電池,往往都會提到快充放的特點,而事實上在電池容量 / 能量上的提升卻微乎其微。

        硅元素

        當(dāng)然,除了作為導(dǎo)電劑,石墨烯理論上也可以作為負極電極材料。但專業(yè)人士指出,如果用石墨烯做負極,不僅效率很低,在性能上還不如直接用硅。拋去技術(shù)問題,在成本上石墨烯與傳統(tǒng)導(dǎo)電炭黑或石墨相比也是天差地別。

        中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所研究員陳成猛透露,石墨烯材料自 2011 年起成為學(xué)術(shù)研究的熱點,但同時其資本炒作也不斷升級,直到近兩年才慢慢降溫。目前,石墨烯產(chǎn)業(yè)剛剛進入發(fā)展的理性軌道,在電池導(dǎo)電劑和導(dǎo)熱材料等個別領(lǐng)域有實際的應(yīng)用突破。在鋰離子電池領(lǐng)域,石墨烯目前僅作為輔助性的填料使用,在主體材料或電化學(xué)體系沒有技術(shù)突破的情況下,其應(yīng)用僅可改善儲電部分性能,但效果遠達不到“顛覆”的程度,將這類電池稱為“石墨烯電池 ”也是不科學(xué)的。

        所以在業(yè)內(nèi)人士看來,真正意義上的“石墨烯電池”還不存在。

        一位先進材料及可再生能源設(shè)備領(lǐng)域的專家表示,真正的石墨烯電池能對電池性能進行革新,但市面上真正的石墨烯產(chǎn)品不多,大部分只是噱頭。若要制備石墨烯電池,前提在于降低能耗和提高質(zhì)量把控。

        總而言之,目前石墨烯在電池應(yīng)用上還停留在導(dǎo)電劑的階段,它的確可以提升電池性能,但還談不上革命性改變。

        電動汽車中“快充” 與“長續(xù)航 ”兩個指標(biāo)孰輕孰重?

        據(jù)了解,廣汽埃安稱其最新石墨烯基電池具備 6C 快充能力,結(jié)合 600A 高功率超充設(shè)備,最快 8 分鐘可充電 80%。

        這里的 C 指的是電池充放電能力的倍率,比如 1C 就是一小時充滿電,2C 就是半小時充滿電,6C 即 10 分鐘就能充滿。

        那么對于電動汽車來說,快充真的有必要嗎?確實有必要,但眼下還是續(xù)航能力更重要,畢竟很大一部分城市的充電設(shè)備依然較少。

        據(jù)中國電動充電基礎(chǔ)設(shè)施促進聯(lián)盟發(fā)布的數(shù)據(jù),截止 2020 年 9 月,全國充電基礎(chǔ)設(shè)施(公共 + 私人)累計數(shù)量為 141.8 萬臺。從地域來看,公共充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)區(qū)域較為集中的特點依然存在。廣東、上海、江蘇、北京、浙江、山東、安徽、河北、湖北、河南這 Top 10 地區(qū)建設(shè)的公共充電基礎(chǔ)設(shè)施占比達 70% 以上。其他城市的充電樁普及率依然較低。

        這時電動車的續(xù)航能力就顯得尤為重要。那么廣汽埃安、蔚來、上汽智己所宣傳的續(xù)航里程超過 1000 公里是個什么概念?

        對于燃油汽車來說,一箱油能夠跑 500 公里左右,按照廣汽埃安等車企的描述,其電動汽車的續(xù)航里程已經(jīng)遠遠超過了燃油汽車。

        國家電動乘用車技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟技術(shù)委員會主任王秉剛在接受時代周報記者采訪時表示:“對于消費者來說,這種宣傳其實并不好?!痹谒磥恚?000 公里續(xù)航并不能作為新能源汽車的技術(shù)指標(biāo),短時間內(nèi)完成充電,即便能夠做到也會損耗電池,甚至存在一定的安全隱患?!皰侀_車輛重量、充電安全、對電池的傷害、性價比等問題,‘理論上這3個字沒有意義。1000 公里續(xù)航、幾分鐘快充,更像是車企的一種營銷手段。”

        此外,王秉剛認為目前新能源汽車具有一定的適用范圍,主要以城市內(nèi)部為主,大部分車型能夠做到 400公里~500 公里的續(xù)航就已經(jīng)足夠。

        一直以來,電動汽車的續(xù)航能力就是業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點問題,盡管車企之間的攀比會人為造成焦慮,但追求技術(shù)進步總是好事。

        那如何才能提高電池的續(xù)航能力?廣汽埃安等車企又是如何讓電動汽車續(xù)航 1000 公里成為可能?

        硅負極電池的改善是現(xiàn)階段提升續(xù)航里程的關(guān)鍵

        廣汽埃安新能源汽車有限公司總經(jīng)理古惠南表示,“三元鋰電池技術(shù)以鋰為核心,我們推出一個硅負極技術(shù),硅負極改進了能量密度?!?/p>

        他介紹稱,普通的三元鋰電池,電芯能量密度達到 220、230wh/kg 就“了不起 ”了,而硅負極電池可達到 280wh/kg 以上,能大幅提高能量密度,并讓續(xù)航 1000km 成為可能。

        事實上,“硅負極技術(shù) ”是指在碳負極電池中加入硅,硅含量的多少決定了電池能量密度的大小,這關(guān)乎電池的續(xù)航性能。不過這項技術(shù)早已投入應(yīng)用,難點在于對硅含量的把握。

        以大眾熟知的特斯拉電動車為例,從幾年前的Model S和Model X時期開始,特斯拉就已經(jīng)在石墨負極中摻雜硅材料,只不過當(dāng)時硅的成分極少。到了Model 3階段,硅的比例再次得到了提升,這給電池性能提升帶來莫大的幫助,目前Model 3的續(xù)航里程在500公里~600 公里左右。

        那么為何電動汽車的續(xù)航能力會成為車企的痛點呢?電池中硅的含量就那么難以把握嗎?這就要提到碳和硅的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì),二者在地殼中的儲量都比較豐富,化學(xué)性質(zhì)也十分相近。據(jù)了解,硅基材料雖然具有很高的能量密度,卻在充放電過程中存在體積膨脹的弱點;而碳質(zhì)負極能量密度較低,卻有著較高的穩(wěn)定性。

        顯然,在硅碳材料的能量密度和穩(wěn)定性之間需要一個平衡,當(dāng)然人們希望硅含量越高越好,這樣電池的續(xù)航能力就會越強,但這個匹配和優(yōu)化的過程難以一步到位,需要反復(fù)進行調(diào)試。

        燃料電池原理

        先進材料及可再生能源設(shè)備領(lǐng)域的專家表示,硅負極電池之所以能夠提高續(xù)航能力,是基于硅具有很高的理論容量。據(jù)悉,目前已知硅負極材料中最高的理論容量為 4200mAh/g,遠超石墨負極的 372mAh/g,摻入硅的硅碳負極材料容量可達到 400-650mAh/g 的水平,因此電池能量密度可得到進一步提高。

        目前在市面上,大部分電池企業(yè)的負極材料都已經(jīng)添加了硅,并逐漸提高硅的含量。或許將來量變能夠引起質(zhì)的飛躍,硅碳負極電池能夠達到最優(yōu)性能。

        燃料電池:電動汽車行業(yè)革新的下一個突破口

        電動汽車從誕生至今,電池材料的創(chuàng)新是推動其發(fā)展的關(guān)鍵。而電池材料的創(chuàng)新是厚積薄發(fā)的過程,因為要平衡比能量、壽命、快充、安全、成本等相互矛盾的性能指標(biāo),需要人們的長期努力。

        如今電動汽車在電池研發(fā)方面,一定程度上來說也已陷入了瓶頸期。市面上電動汽車中大部分都是鋰電池,因而在電池技術(shù)上并沒有發(fā)生大的革新。那么電動汽車行業(yè)下一個突破口在哪里?

        歐陽明高在今年的中國電動車百人會論壇上表示,“新一代車用動力電池和氫燃料電池等電化學(xué)能源系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化將是汽車動力百年來的歷史性突破?!?/p>

        談及這一話題,一位可再生能源設(shè)備領(lǐng)域的專家也透露,他認為未來燃料電池有望兼顧“快充”與“高續(xù)航” 這兩大特性。

        所謂燃料電池,是一種能夠?qū)⑷剂系幕瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的化學(xué)裝置,它不能“儲電”而是一個“發(fā)電廠”。

        氫燃料電池有很多優(yōu)點:首先,氫燃料電池能實現(xiàn)真正意義上的零污染。氫燃料電池車的燃料是氫和氧,通過電化學(xué)反應(yīng),生成物也只有清潔的水,有效降低了一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物、溫室氣體等能夠?qū)Νh(huán)境造成污染的氣體的排放,實現(xiàn)真正意義的零污染。

        其次,氫燃料電池車不存在續(xù)航能力不足的問題,能夠?qū)⒒瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能,發(fā)電效率高達 50% 以上。據(jù)悉,氫燃料電池車行駛里程可輕松達到 500公里~600 公里。

        再者,氫燃料電池能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的快充,加注燃料的時間與傳統(tǒng)燃油車相差無幾。據(jù)了解,加滿燃料僅需 3分鐘~5 分鐘。

        不過,氫燃料電池的成本很高,壽命也比較短。據(jù)了解,日本豐田已經(jīng)可以做到使用上萬甚至是幾萬小時,而中國還只停留在幾千小時的壽命。

        但即便研發(fā)難度大,也仍需要大力發(fā)展。歐陽明高在演講中提到,氫能是集中式可再生能源大規(guī)模、長周期存儲的最佳途徑。不僅能夠更加充分地利用可再生電力,氫能規(guī)模儲能的經(jīng)濟性也比電池好,車下固定儲氫大概比儲電成本上大約要低一個數(shù)量級。

        數(shù)據(jù)顯示,現(xiàn)在的商用車燃料電池發(fā)動機技術(shù)性能跟5年前相比,所有主要的性能指標(biāo)都有大幅的提升,比如核心指標(biāo)燃料電池壽命提升了 300%。國產(chǎn)燃料電池零部件的產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)建立,系統(tǒng)集成能力大幅增強,頭部企業(yè)正在形成。

        歐陽明高透露,下一步的重點就是要使燃料電池系統(tǒng)成本十年內(nèi)下降 80% 以上。過去十年鋰離子電池就是這樣發(fā)展的,燃料電池滯后了十年。系統(tǒng)成本要從 2020 年的 5000 元 / 千瓦下降到 2030 年的 600 元 / 千瓦。

        “盡管當(dāng)前氫燃料電池汽車發(fā)展還面臨一些挑戰(zhàn),比如氫燃料產(chǎn)業(yè)鏈自主化程度與技術(shù)水平和燃料電池還有差距,電解綠氫技術(shù)、氫儲運技術(shù)、氫安全技術(shù)還需要改進提升,氫燃料的成本總體偏高,這是今后 5年~10 年必須努力解決的。”歐陽明高說。 (摘自美《深科技》)(編輯/小文)

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