第一章 純電動汽車與氫燃料電池汽車孰優孰劣

一、純電動汽車的困惑

現時，學界與業界對此類汽車的叫法并不準確。所謂的純電動，就是車輛純粹或完全由電驅動，然而，燃料電池汽車也是如此。因此，筆者以為，迄今為止，人們習慣叫作的純電動汽車稱為蓄電池式電動汽車才更準確（但現在已經有不少人這樣叫了，那么筆者也只好“隨大流”，特吁請國家相關部門或機構適時制定標準而加以規范）。純電動汽車相對于傳統燃油汽車而言，最大的不同之處，在于動力系統有根本性改變，這既是其發展的巨大潛力所在（創新的空間大），同時也是其推廣應用的難點（或癥結）所在。當下，人們面對純電動汽車的困惑，說到底主要是由蓄電池引發的。

1 純電動汽車的突出優點

純電動汽車的突出優點，可以從車輛自身以及驅動系統獲取電能方式的多樣性（多種途徑）等多個層面上看出。

（1）排放低，有利于環保

若僅從車輛的使用過程來看，可以說其排放為零或接近零。但如果從能源的全壽命周期觀察，也不能稱之為零污染，因為在車輛驅動系統所獲得的電能在其生產過程中（無論電是來自清潔的，諸如太陽能、風能、水力等可再生能源，或者是煤、燃氣等化石能源）會產生一定的污染，當然，電能來自清潔的可再生能源，產生的污染是較低的。像德國等許多發達國家正努力發展和推廣使用的電動汽車，其電動汽車蓄電池的電能來自或主要來自清潔的可再生能源。

（2）驅動汽車的電力來源廣泛，獲取的途徑多

純電動汽車的驅動能量來自存儲于蓄電池的電能，而（不斷）補充電池之電力的資源則十分豐富，如煤炭、石油、天然氣等一類的化石能源和可再生的太陽能、風能、水力、生物質能以及核能等，尤其是后者，可以說是取之不盡，用之不竭。

（3）乘坐舒適性好

純電動汽車運行時噪聲低，不僅提高了車輛的乘坐舒適性，而且也有利于道路沿線區域保持安靜的環境（這也是現代生活所追求的）。

2 純電動汽車的核心難題：動力電池

純電動汽車當前存在的主要問題與難點，歸根結底，在于動力電池關鍵技術一直未取得實質性的重大突破與進展。縱觀世界業界，雖然蓄電池的技術性能也不斷提高，但仍然難以滿足人們對車輛正常使用的要求（若使用者情不自禁地與傳統汽柴油汽車相比較，問題會顯得更突出），如：比能量低、存儲的能量有限（由此也就限制了車輛的續駛里程）、電池性能不穩定、可靠性差、使用壽命不夠長、安全隱患大、充電時間較長等機理性缺陷以及成本高等。這些都不同程度地影響了純電動汽車的實際應用和真正的商業化。誠然，充電基礎設施不健全也是妨礙純電動汽車推廣的一個不容忽視的因素，但不是決定性的，如果電池技術獲得重大突破，則充電設施的問題也可能會迎刃而解。直到現在，學界和業界，無論是誰，不管名聲有多大，職位有多高，都很難準確預測從根本上解決上述一系列問題的具體時間，只有靠實踐才能給出答案。一向對汽車行業新生事物給予熱情支持的中國汽車報社主要負責人最近也指出，現在電動汽車發展的瓶頸是電池技術沒有達到很高的水平，如果電池技術不發生革命性變化，就無法解決電動汽車的大規模推廣問題（見2015年8月10日《中國汽車報》）。以下對純電動汽車存在的若干根本性（或者說致命性）問題略加分析。

（1）關于續駛里程短的問題

盡管國內外市場上一些廠家也宣稱，其純電動汽車產品一次充電可連續行駛數百千米，與傳統汽車相差并不大，但在實際使用中卻難以通過重復驗證而得到真正的確認。廠家所稱的數據，往往是設計的理論值，而在實際使用中電池的能量衰減是很明顯的，因此，真實的續駛里程達不到設計所期望的里程數。現今，純電動汽車通常的續駛里程依然局限于200km以內，大致100多km。純電動汽車的續駛里程主要由蓄電池存儲能量的多少來決定，由于電池的效能即比能量低，其存儲的能量就有限。而要獲得更多的能量，迄今可采取的主要措施有兩個：一是增加構成電池組的單個電池數量，把電池組做得更大（相應的擴大了存儲能量的容量）；二是提高電池的比能量（就是要使單個電池存儲更多能量）。但采取這兩項措施也只能適可而止，否則其負面作用就很大。因為：其一，電池組越大，重量也越大，不僅增加了成本，抬高了車輛的售價，而且運動著的車輛要消耗更多的電能，既縮短了續駛里程，又削弱了電動汽車經濟性的優勢；其二，如果電池的比能量提高過多，其安全性就隨之降低，二者難以兼顧，很容易陷入惡性循環。在筆者看來，這是蓄電池存在的一個根本性、機理性（或者稱原理性）缺陷，以目前這種原理工作的蓄電池，只要其機理上沒有發生重大改變，此種缺陷也就難以根除。我國多個地區（城市）對純電動汽車已進行了多年的示范運行，人們對此有深刻的認識和體會，很值得廣大科研人員和制定政策的國家管理人員對此進行總結與深思。

國家能源局原局長張國寶說，發展（純）電動汽車首先要突破電池技術，但這么多年一直沒有獲得大的突破；電池在整個車輛重量中占的比重很大，至少占汽車整個重量的三分之一，普通的車，電池組重量達到約600kg（見2013年8月15日《汽車商報》）。

從事電動汽車研究多年的全國知名專家王秉剛指出，人們經過分析認為，電動公交車成本高的主要癥結在于數量龐大的電池。粗略統計，一輛12m長的電動公交車，每行駛1km大約耗電1kW·h。按目前磷酸鐵鋰電池組的狀況考慮，比能量約為80W·h/kg，比價格約為4元（人民幣）/W·h，一輛名義續駛里程200km（實際約160km）的電動公交車，需要安裝約200kW·h容量的電池組，約為2.5t的重量，當然也太重了，僅80萬元的電池組價格就比普通的一輛12m長燃油公交車還要貴許多（見2013年5月2日《汽車商報》）。

清華大學汽車系一位教授在接受《經濟參考報》記者采訪時稱，國內（純）電動汽車技術難有大的突破，電池續駛里程是其推廣中遭遇的最大阻礙之一。例如，對于一輛純電動汽車而言，按照1kW·h需要10kg電池來計算，150kW·h電就需要500kg電池，而續駛里程（最多）也就是200多km（見2014年5月27日《經濟參考報》）。

《科技日報》2014年6月22日載文稱，美國特斯拉的電動車電池組重量約為800kg，比亞迪e6純電動汽車配備的電池組重600kg。“大量電能都用于運載電池了”，北京交通大學教授徐征如是說。有專家進一步指出，這不僅浪費了很多能源，而且，如果純電動汽車使用的是煤電，則也加重了環境污染。例如比亞迪e6，百千米耗電量約為19.5kW·h，特斯拉為15～18kW·h，這兩款車百千米電耗相當于標準煤5.5～6.5kg，排放的二氧化碳相當于燃用7.5～9L油的排放。如此一來，純電動汽車的環保性大打折扣。

中國工程院楊裕生院士認為，新能源汽車（其實，他所指的只是純電動汽車——筆者注）發展的核心瓶頸是電池，存儲的能量欠高，例如，鋰離子電池能量提高也有一定限度，能量越高，安全性問題就越突出。如果要求續駛能力高，電池常常要滿充全放，這樣的話，電池性能衰退很快，電池與車輛不能齊壽（見2014年6月22日《科技日報》）。

清華大學國家重點實驗室主任、全國新能源汽車知名專家歐陽明高教授認為，對（純）電動汽車不要過分追求續駛里程，不能無限擴大電池的比能量，比能量在180W·h/kg以上的電池一定要慎用（見2013年11月18日《中國汽車報》）。按照這位國內電動汽車權威專家的看法，國內再將動力電池能量密度進一步提高的潛力已經不大，因為目前已普遍達到或超過100W·h/kg。正是基于這一理論認識，這位專家才一直不斷呼吁我國要發展小型輕型的、主要在市區使用的純電動汽車。

中科院電工研究所專門從事電池研究的有關專家稱，在我國純電動汽車發展過程中，電池能量衰竭是不可回避的問題，電池的使用壽命還有待時間的檢驗（見2014年6月12日《長江商報》）。

據調查，成都市的純電動公交車在白天排隊補電已成常態，導致此現象的一個重要原因，是電池衰減較為嚴重。同樣，其他許多地方（如山東臨沂等地）也是如此（見2013年4月19日《中國工業報》）。深圳市巴士集團的一位負責人告訴記者，目前，國內純電動公交車都存在一定程度的電池衰減問題，這種情況很可能會影響到公交車的正常運營，甚至影響車輛的使用壽命（見2013年8月26日《中國汽車報》）。

如果把眼界再擴大一些，電動汽車的蓄電池能量衰減問題也是世界普遍現象。應該說，日產聆風是目前世界上最先進的純電動汽車之一，但也存在蓄電池過快老化問題。據《美國汽車新聞》報道，盡管日產曾宣稱在使用五年后，其蓄電池能力才下降至初始蓄電能力的80%，然而，Phoenix城的部分聆風車主購買使用僅兩年時間，蓄電池的蓄電能力就明顯減弱（見《汽車與配件》2012年No.41）。

（2）關于存在安全性隱患問題

縱觀國內外純電動汽車的運行使用情況，所暴露出的安全隱患是客觀存在的，具有普遍性和根本性，必須引起業界的足夠重視，不可抱任何僥幸心理。畢竟，人命關天，不論在什么情況下，汽車使用者的人身安全是第一位的，其他則居其次。社會上一些人，可能出于對電動汽車這個新生事物倍加呵護的善意，認為中國之大、世界之大，一年之內發生幾起電動汽車起火事故并不值得大驚小怪，傳統汽車不也照樣會發生這類事故嘛。但在筆者看來，把這兩類性質完全不同的問題混為一談是不科學的，也是站不住腳的。傳統汽車經過100多年大規模的實際使用檢驗，證明其安全性技術已非常成熟，即使發生一些與電動汽車相類似的事故，人們也不會懷疑它在安全技術上有根本（或本質）性的缺陷（或不足）。而（純）電動汽車就不一樣了，因為還沒有經過長時間和大規模的實際應用實踐檢驗。從近年國內外發生的電動汽車起火事故來看（見表1-1），多數均與電，也就是說與電池有關。換言之，（純）電動汽車的安全隱患在于電池安全技術性能存在機理（或者說原理）性短板。以鋰離子電池為例：當能量密度比較高時，若發生熱失控反應，則會釋放很高的熱量而引發火災；電池內的電解液是有機溶劑，為易燃物，且在4.6V上下的電壓情況下，很容易發生氧化反應，一旦泄漏就會著火，甚至引起爆炸。據有關專家分析，美國特斯拉Model S型電動汽車曾在不到一年的時間里就六次起火，這絕非偶然，與電池自身技術特性和特點有關。其中有三次事故，最終原因被確認為電池熱失控。這是電池故障的一種整體性表現，發生在電池內部的可能是在被擠壓、穿刺或過度充電后而引起了短路。此外，電解液膜的耐熱性也有一定局限，溫度過高而超過臨界點時，即可能起火。對此，有人說為了防止電池熱失控，可對電池組進行嚴密監測控制。這說起來容易做起來難，實際上很容易失控，因為一輛電動汽車的電池組由許多小的單個電池構成，要實施控制，整個系統極為復雜，其中的任何一個環節出了問題，整個系統都會失效，或許這個熱控制系統本身也成了引發事故的原因之一。例如，特斯拉Model S型電動汽車，其電池組由7000塊小電池組成，要進行熱控制，就需要7000個控制器，將之連接起來，連接點相當于有1萬個電阻。而如此多的電阻的性能一致性就很難控制，顯然，有些電阻小，使用頻率就會增大，易于損壞；電阻大的，則需要通過發熱來轉化能量，從而增加了熱失控隱患。

表1-1 2010～2012年國內外發生的鋰離子電池安全事故統計

（續）

據有關人士實地調查，我國許多地方示范運營的純電動公交車，也經常發生電池溫度過高的現象，存在的安全隱患也是顯而易見的。為監控此種隱患，諸如廣州市801路純電動公交車上，就安裝了溫度過高報警器，但由于溫度過高成了常態，車輛就一直在“嘟嘟”的報警聲中照常開動運營，從而引起乘客的焦慮不安和不滿。據開車的司機講，電池溫度過高不僅有安全隱患，而且還使電池組輸出的能量減少，影響車輛運行速度等（見2013年4月14日《中國工業報》）。這表明這種電池溫度過高的公交車是“帶病”運行，很不安全。

純電動汽車不但在運行中存在如上所述的安全隱患，而且在電池充電過程中也同樣存在。使用手機的人可能都有過這樣的切身體驗，就是在給手機充電（尤其在大熱天）時，若充電器插頭與插孔適配不好（兩者貼合的狀況未達到最佳化），則充電器和手機電池的溫度就可能高或很高，極易出現不測事件，與此有關的新聞報道也不斷傳到人們的耳中。電動汽車的電池組，充電負載更大，其充電器接口可能會因反復拔插而導致在充電過程中出現過熱現象，存在引發火災的可能性。現今，電動汽車的保有量還很小，使用并不普遍，而一旦普及，充電設施甚至遍布居民社區，則這種安全隱患就顯得更為突出和嚴重。2014年8月28日的《參考消息》轉載8月27日澳大利亞《悉尼先驅晨報》的一篇文章稱，中國大力發展純電動汽車遇到的一個很大問題，是電池的安全性隱患較大，中國每年都有不少建筑物因電動自行車車主在家用老舊線路給電池充電而引發火災，這一問題可能會因電動汽車的普及使用而進一步加劇。當下，一些人覺得使用電動汽車不方便，嫌充電需要好幾個小時太慢。這樣，有人就推出了“快充”的技術解決方案。然而，按照目前電池本身和“快充”方案的技術水平，“快充”的負面結果不容忽視：一是不可避免地會影響電池的使用壽命；二是易出現如上所述的過熱現象（尤其在高溫天氣時），從而構成安全隱患。表面看，“快充”“慢充”是兩種技術方案的優、劣之爭，但實際上，它暴露了表現在蓄電池技術特征上的一個矛盾現象，即人們都需要、都想獲得的兩個技術特性相互矛盾，不可兼顧（或兼備）。這也是純電動汽車蓄電池存在的一個機理（或原理）性缺陷。

基于當前蓄電池并非完美的技術特性，在充電時存在的另外一種安全隱患至今尚未引起人們的高度警覺，就是在高寒地區（或天氣比較寒冷的季節）給電動汽車充電時，電池中的材料一旦有電流刺激，會形成金屬元素，由此導致電池發生短路現象，嚴重時還可能爆炸而釀成災難（見2014年8月21日《汽車商報》）。

鑒于近年出現的一系列電動汽車蓄電池安全事故，國家工信部2015年8月6日發出排查新能源汽車電池安全隱患的通知。該文件的發布可以說十分及時，同時，也在一定程度上反映了電動汽車電池存在安全隱患的嚴重性。湖北省科技廳專家、華中科技大學材料學院院長黃云輝認為，電池的安全性是電動汽車發展的關鍵問題之一。單體電池符合安全和性能標準，并不意味著成組后的性能和安全性就有保證。電池成組絕不是單體電池的簡單疊加，涉及很多復雜技術。目前，電池成組后模組差異較大，而且各個廠家電池組產品之間的差異更是不小。在電動汽車運營過程中，因電池溫度升高、過度充電、過度放電引發的安全問題仍然存在，只是如何盡量控制到最小的問題（見2015年7月14日《湖北日報》）。中國北方車輛研究所動力電池試驗室主任王學冬在2015年8月舉行的一次研討會上表示，我國電動汽車的安全性讓人擔憂（見2015年8月9日《上海汽車報》）。他認為，在電池打包成組技術上，中國還需要大幅提升；目前，單體、小模塊電池測試結果和成組后的結果差異很大，單體電池符合安全和性能標準，并不意味著成組后的性能和安全性就有保證。在安全、壽命、放電能力等方面，單體電池可以充放電2000次，成組后可能減半。有關專家提醒，在行業快速發展的情況下，要格外重視排除電池的安全隱患。

（3）關于對環境的污染問題

（純）電動汽車在使用過程，尤其當發生交通事故等不測事件時，會因電池損壞而對土壤、地下水等產生程度不同的重金屬污染。在此方面，不僅鉛酸、鎳鎘電池的危害是人所共知的，而且其他所謂比較先進的電池如鎳氫電池、鋰電池等，因對事故處置不當，也同樣存在對環境造成污染的風險。以鋰電池為例，其正負極材料、電解質溶液等物質，如有泄漏或處置不當，會對環境及人體健康造成很大的負面影響。其中，正極材料中含有的重金屬元素能夠使環境的pH值升高，電解質溶液具有較強的腐蝕性，處理不當將產生有毒氣體而污染空氣。關于鋰離子電池各種組分對環境及人類的負面影響，請參見表1-2。此種隱患在（純）電動汽車大規模應用時，將會變得更突出。

表1-2 鋰離子電池各種組分對環境和人類的負面影響

3 純電動汽車的各類新型電池

筆者已深入了解到目前純電動汽車上普遍采用的鋰電池所取得的技術進步，同時也知曉，為推動純電動汽車向前發展而研發的各種有可能獲得應用的各類新概念蓄電池。關于前者，取得的技術進步成果不可否認，但還不是突破性的實質進展，實際的應用效果遠非宣稱的那樣。有關方面給出的所謂技術進步指標，僅僅是實（或試）驗階段的理論數據，而非經過長期應用后所獲得的實際數據。因此，至少在筆者看來，如此宣稱的技術進步成果并不可信，或可信程度較低。有關專家也指出，近幾年鋰電池的技術進步雖然比較快，但還缺乏革命性的改變，與幾年前沒有兩樣：結構沒有變化；主要配套、材料基本沒有變化。要解決純電動汽車的續駛里程問題，可能得寄希望于新的電化學體系和新的電池技術出現（見2015年5月25日《中國汽車報》）。關于后者，以下作簡要介紹。

（1）半固態鋰電池

據中科院物理研究所的有關專家介紹，現有的鋰離子電池采用多層薄膜電極設計，而半固態鋰電池則采用厚電極，在結構設計上得到了簡化，減少了集流體、隔膜所占電池總重量的比例，在采用正負極材料相同的情況下，可以提高電池的能量密度，工藝成本有望降低。但同時，由于采用厚電極、單層隔膜，無法實現快速充放電，這也意味著在動力上沒有優勢。在推廣上，半固態鋰離子電池的工藝與現有的鋰離子電池的工藝不能完全兼容，生產線設計、質量控制、測試標準和量產工藝等都得從頭摸索，防止內部短路的隔膜等關鍵材料還需要有大的突破。

（2）石墨烯電池

石墨烯是現今已知材料中最薄的一種，僅有一個碳原子厚，也是目前導熱效果最好的熱導體。石墨烯電池理論重量是傳統鋰離子電池的一半，厚度也可大幅縮小，而儲電量則高出數倍。按照美國有關科學家的估算，石墨烯陽極材料比鋰離子電池中常用的石墨陽極充放電速度要快10倍。據稱，如用于電動汽車，充一次電只需8min，汽車可行駛近1000km。石墨烯雖然已被各工業發達國家列為重要材料予以開發，但相關生產技術直到2010年才相對成熟，至今也還處于初級應用階段。尤其是能讓電池體積和重量大幅縮小的單層石墨烯材料，其成品率很低，生產成本則很高，離實際應用還有很長的路要走。

（3）金屬空氣電池

在鋰電池普遍作為純電動汽車的主動力暴露出越來越多的難題及弊端之后，近來人們又把目光投向金屬（例如鋅、鋁等）空氣電池。據稱，以色列Phinergy公司和美國鋁業公司（Alcoa）聯合開發的鋁空氣電池裝用于雪鐵龍C1電動汽車，測試結果表明，其續駛里程是特斯拉Model S型電動汽車的2倍以上，在能量密度、成本以及環保等諸方面均具有很大優勢。但筆者并未看到更進一步的、實質性的詳細報道。眾所周知，盡管金屬（例如鋁、鋅等）空氣電池能量密度較高，但其輸出的功率很低。以鋅空氣電池為例，由于比功率不足，使得其裝備的電動汽車最高車速僅約為60km/h，當加速或上坡時就倍感吃力。而鋁空氣電池功率較低的原因，在于鋁的電子產生速度較慢，這是由鋁本身的特點決定的，很難克服。正因為如此，各種金屬空氣電池當前僅限于用作備用電池等。

針對類似于上述所謂的新概念電池，專家王學冬認為，它是否實用，光靠幾項亮眼的實驗室數據還不行，全面而客觀的實際應用數據才是最有力的憑據，只有經過實踐檢驗的東西才可信、可靠。