新能源汽车是近年来中国发展起来的一个新兴产业。2009年1月,科技部、财政部、国家发展改革委、工业和信息化部联合启动了“十城1000辆节能新能源汽车示范应用工程”,标志着新能源汽车产业正式上升为国家战略。2012年,国务院发布了《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020)》,对节能汽车和新能源汽车进行了界定,并确定了实现的路径和目标。该规划明确,中国新能源汽车的发展将以锂离子电池纯电动汽车(LIB-EV)为主要方向。近年来,搭载锂离子电池的纯电动汽车已成为中国新能源汽车的主流路线。目前,我国纯电动汽车的动力电池主要为乘用车用三元动力电池和商用车用磷酸亚铁锂动力电池。然而,日本作为电动汽车研发和产业化的全球领导者,在电动汽车的技术路线上与中国并不一致。2014年12月,全球最大的汽车公司丰田正式推出全球首款量产燃料电池电动汽车Mirai。这款车在日本的价格为723.6万日元(相当于人民币38.3万元,补贴价格为人民币27.5万元)。随后,本田也在2015年下半年发布了新一代燃料电池汽车FCVClarity。事实上,早在2014年5月,日本经济产业省就发布了《促进氢燃料电池汽车普及战略》,从而确立了日本国内氢燃料电池车的行业标准。随后,日本政府在《关于实现氢能社会政策的建议》的提案中提出了氢燃料电池汽车的具体普及目标和政策支持方案。此外,日本的日产、韩国的现代、美国的通用汽车、德国的宝马和梅赛德斯-奔驰的大众也在过去两年发布了各自的燃料电池电动汽车工业化计划和原型。我们可以看到,中国和日本(实际上包括韩国和欧美主流车企)在纯电动汽车的发展方向上选择了不同的技术路线。丰田和本田大规模生产燃料电池电动汽车的消息在国内电动汽车行业引起了热烈讨论,并形成了两种观点。一种观点认为,日本汽车工业在纯电动汽车上走燃料电池路线是错误的(路线误差理论),例如目前在全球炙手可热的美国特斯拉纯电动汽车。另一种观点认为,日本发展燃料电池汽车更多是为了服务其军工,误导了中国电动汽车的发展方向(阴谋论)。这些不同的观点暂时搁置一边。面对丰田和本田燃料电池汽车小规模商业化生产的现实,我们现在首先需要认真考虑的是,为什么中国和日本在开发纯电动汽车时选择了不同的技术路线。或者哪种动力系统更适合纯电动汽车、锂离子电池或燃料电池?无论是锂离子电池(LIB)还是质子交换膜燃料电池(PEMFC),都是一个非常专业和先进的高科技领域,涉及多个学科的综合。作者对这两种化学电源系统有很好的了解。在本文中,作者将抛开电化学、固体化学和电催化的深刻科学原理,从宏观的角度从各个方面对这两种化学电源系统进行分析和比较,希望能为读者提供一些关于纯电动汽车电源的不同视野和角度。
在比较和分析这两种电力系统之前,我们必须首先了解LIB和PEMFC最本质的特性,从而了解它们各自的应用领域。从根本上讲,二次电池是一种储能装置,通过可逆的电化学反应实现电能的储存和释放。衡量存储容量的基本指标……
二次电池的能量密度(Wh/Kg或Wh/L)。燃料电池是一种电能生产装置,它将燃料中的化学能转化为电能,并通过电催化反应释放出来。虽然燃料电池也被称为“电池”(中文翻译的原因),但其基本工作模式与内燃机有点相似,与传统的二次电池有本质区别。功率密度(W/Kg或W/L)是衡量燃料电池电能生产能力的基本指标。这两种电化学电源系统在工作模式上的本质差异将直接决定它们在应用层面的不同定位,作者稍后将对此进行详细讨论。1.锂离子电池和燃料电池的研发历史在比较分析锂离子电池(LIB)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)在纯电动汽车领域的应用前景之前,有必要简要回顾一下它们的发展历史,让读者对它们有更直观的了解。如果我们仔细分析欧盟(EU)和美国能源部(DOE)过去20年在基础研究和产业政策方面的变化,我们可以清楚地看到,锂电池和燃料电池实际上是一对“告诉法官”。事实上,在19世纪末,汽车最早是由电池汽车发展而来,铅酸电池汽车的产量在20世纪初达到顶峰。然而,随着福特在1908年创新性地使用装配线大规模生产T型汽车(大大降低了成本),以及从1912年开始出现汽油车电点火(使用更方便),这对铅酸电池汽车造成了致命打击,电动汽车从此退出了历史舞台。直到上世纪末,由于高能化学电源(二次电池和燃料电池)的技术进步,电动汽车再次受到关注。关于燃料电池的第一轮国际研究发生在20世纪70年代。由于美国航天工业的需求,促进了碱性燃料电池的实际应用。后来,通用汽车还制造了世界上第一辆AFC燃料电池汽车。由于AFC必须使用纯氧,不能直接使用空气,因此AFC不能用于民用领域,但许多AFC技术后来被移植到PEMFC中。20世纪70年代,阿以战争引发了两次国际石油危机,不仅对全球和经济结构产生了深远影响,也使西方国家深刻认识到寻找新能源的重要性,从而为新型高能化学动力源的研究提供了前所未有的动力。正是在这一时期,有机电解质、固体电极材料、质子交换膜、电极过程动力学等基础研究取得了巨大进展。正是在这个时期,钠硫电池和锂离子电池的基本原理得以构建。得益于20世纪80年代在过渡金属氧化物、石墨锂嵌入化合物和有机电解质方面的研究进展,日本索尼公司于1991年首次成功将锂离子电池商业化。由于使用了热解聚糠醛硬碳阳极材料,原始锂离子电池的能量密度不高。自1994年大阪煤气公司将MCMB工业化以来,锂离子电池的性能得到了极大的提高,并迅速占领了手机电池市场并得到了快速发展。上世纪末,世界掀起了锂电池产业化的第一波浪潮。与此相对应的是1995-2002年锂电池的第一次国际基础研究热潮。锂离子动力电池的研发也在本世纪初开始出现(以法国的SAFT为代表),但当时并没有在全球范围内引起广泛关注。1996年,美国克林顿政府启动了“氢经济”(氢能和燃料电池)的基础研究和工业化,随后是欧盟。在乔治·W·布什总统执政的八年里,西方发达国家特别是美国对“氢经济”的研究达到了顶峰,而锂离子电池的相应基础研究在2002年至2007年的六年里陷入了低谷。当然,锂电池的产业化仍在快速发展。第二波燃料电池研究/产业化g……
2007年后双重降温,具体情况将在以下章节中详细讨论。自2008年奥巴马当选美国总统以来,美国政府在电动汽车方面的战略方向已从氢能和燃料电池转向锂离子电池,这是国际锂电池研究和产业化的第二轮。DOE不愿意做出这一改变,其背后的主要原因是氢气的工业化生产和储存,以及燃料电池在技术、成本和寿命方面的许多技术挑战,这些都严重阻碍了燃料电池电动汽车的工业化进程。日本的新能源研究和产业化政策主要由NEDO制定。与欧美在锂电池和燃料电池领域的过山车不同,过去几十年,日本在这两个领域的支持没有太大区别,主要是因为日本在这这两个方面处于全球工业化的领先地位,而欧美的锂电池行业从未发展过。如果我们仔细研究DOE近年来关于锂电池的年度报告(BATT和ABR项目)、欧盟的ALISTORE项目和日本的NEDO锂电池相关项目,我们可以看到,与上世纪末富有成效的第一轮锂电池研究热潮相比,本轮锂电池基础研究基本没有取得任何突破,但具有明显的学术“泡沫”特征(表现为“纳米锂电池”和磷酸亚铁锂),DOE。事实上,美国能源部的技术路线和发展目标一直是科技部和工业和信息化部制定新能源汽车科研和产业化政策的基本参考。那么,美国能源部下一轮对新型高能化学电源的研究和产业化重点将转向哪个领域?让我们拭目以待。事实上,了解化学电源发展史的读者应该明白,在过去的几十年里,二次电池和燃料电池并没有真正“遇冷”,但它们对它的关注程度不同。它们都经历了起起落落,所以化学电源行业以这样的螺旋式发展。新能源汽车是近年来中国发展起来的一个新兴产业。2009年1月,科技部、财政部、国家发展改革委、工业和信息化部联合启动了“十城1000辆节能新能源汽车示范应用工程”,标志着新能源汽车产业正式上升为国家战略。2012年,国务院发布了《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020)》,对节能汽车和新能源汽车进行了界定,并确定了实现的路径和目标。该规划明确,中国新能源汽车的发展将以锂离子电池纯电动汽车(LIB-EV)为主要方向。近年来,搭载锂离子电池的纯电动汽车已成为中国新能源汽车的主流路线。目前,我国纯电动汽车的动力电池主要为乘用车用三元动力电池和商用车用磷酸亚铁锂动力电池。然而,日本作为电动汽车研发和产业化的全球领导者,在电动汽车的技术路线上与中国并不一致。2014年12月,全球最大的汽车公司丰田正式推出全球首款量产燃料电池电动汽车Mirai。这款车在日本的价格为723.6万日元(相当于人民币38.3万元,补贴价格为人民币27.5万元)。随后,本田也在2015年下半年发布了新一代燃料电池汽车FCVClarity。事实上,早在2014年5月,日本经济产业省就发布了《促进氢燃料电池汽车普及战略》,从而确立了日本国内氢燃料电池车的行业标准。随后,日本政府在《关于实现氢能社会政策的建议》的提案中提出了氢燃料电池汽车的具体普及目标和政策支持方案。此外,日本的日产、韩国的现代、美国的通用汽车、德国的宝马和梅赛德斯-奔驰的大众也发布了自己的工业化……
ans和燃料电池电动汽车的原型。我们可以看到,中国和日本(实际上包括韩国和欧美主流车企)在纯电动汽车的发展方向上选择了不同的技术路线。丰田和本田大规模生产燃料电池电动汽车的消息在国内电动汽车行业引起了热烈讨论,并形成了两种观点。一种观点认为,日本汽车工业在纯电动汽车上走燃料电池路线是错误的(路线误差理论),例如目前在全球炙手可热的美国特斯拉纯电动汽车。另一种观点认为,日本发展燃料电池汽车更多是为了服务其军工,误导了中国电动汽车的发展方向(阴谋论)。这些不同的观点暂时搁置一边。面对丰田和本田燃料电池汽车小规模商业化生产的现实,我们现在首先需要认真考虑的是,为什么中国和日本在开发纯电动汽车时选择了不同的技术路线。或者哪种动力系统更适合纯电动汽车、锂离子电池或燃料电池?无论是锂离子电池(LIB)还是质子交换膜燃料电池(PEMFC),都是一个非常专业和先进的高科技领域,涉及多个学科的综合。作者对这两种化学电源系统有很好的了解。在本文中,作者将抛开电化学、固体化学和电催化的深刻科学原理,从宏观的角度从各个方面对这两种化学电源系统进行分析和比较,希望能为读者提供一些关于纯电动汽车电源的不同视野和角度。
在比较和分析这两种电力系统之前,我们必须首先了解LIB和PEMFC最本质的特性,从而了解它们各自的应用领域。从根本上讲,二次电池是一种储能装置,通过可逆的电化学反应实现电能的储存和释放。衡量二次电池存储容量的基本指标是能量密度(Wh/Kg或Wh/L)。燃料电池是一种电能生产装置,它将燃料中的化学能转化为电能,并通过电催化反应释放出来。虽然燃料电池也被称为“电池”(中文翻译的原因),但其基本工作模式与内燃机有点相似,与传统的二次电池有本质区别。功率密度(W/Kg或W/L)是衡量燃料电池电能生产能力的基本指标。这两种电化学电源系统在工作模式上的本质差异将直接决定它们在应用层面的不同定位,作者稍后将对此进行详细讨论。1.锂离子电池和燃料电池的研发历史在比较分析锂离子电池(LIB)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)在纯电动汽车领域的应用前景之前,有必要简要回顾一下它们的发展历史,让读者对它们有更直观的了解。如果我们仔细分析欧盟(EU)和美国能源部(DOE)过去20年在基础研究和产业政策方面的变化,我们可以清楚地看到,锂电池和燃料电池实际上是一对“告诉法官”。事实上,在19世纪末,汽车最早是由电池汽车发展而来,铅酸电池汽车的产量在20世纪初达到顶峰。然而,随着福特在1908年创新性地使用装配线大规模生产T型汽车(大大降低了成本),以及从1912年开始出现汽油车电点火(使用更方便),这对铅酸电池汽车造成了致命打击,电动汽车从此退出了历史舞台。直到上世纪末,由于高能化学电源(二次电池和燃料电池)的技术进步,电动汽车再次受到关注。关于燃料电池的第一轮国际研究发生在20世纪70年代。由于美国航天工业的需求,促进了碱性燃料电池的实际应用。后来,通用汽车还制造了世界上第一辆AFC燃料电池汽车。贝考……
AFC必须使用纯氧,不能直接使用空气,AFC不能在民用领域使用,但许多AFC技术后来被移植到PEMFC中。20世纪70年代,阿以战争引发了两次国际石油危机,不仅对全球和经济结构产生了深远影响,也使西方国家深刻认识到寻找新能源的重要性,从而为新型高能化学动力源的研究提供了前所未有的动力。正是在这一时期,有机电解质、固体电极材料、质子交换膜、电极过程动力学等基础研究取得了巨大进展。正是在这个时期,钠硫电池和锂离子电池的基本原理得以构建。得益于20世纪80年代在过渡金属氧化物、石墨锂嵌入化合物和有机电解质方面的研究进展,日本索尼公司于1991年首次成功将锂离子电池商业化。由于使用了热解聚糠醛硬碳阳极材料,原始锂离子电池的能量密度不高。自1994年大阪煤气公司将MCMB工业化以来,锂离子电池的性能得到了极大的提高,并迅速占领了手机电池市场并得到了快速发展。上世纪末,世界掀起了锂电池产业化的第一波浪潮。与此相对应的是1995-2002年国际上第一次锂电池基础研究热潮。锂离子动力电池的研发也在本世纪初开始出现(以法国的SAFT为代表),但当时并没有在全球范围内引起广泛关注。1996年,美国克林顿政府启动了“氢经济”(氢能和燃料电池)的基础研究和工业化,随后是欧盟。在乔治·W·布什总统执政的八年里,西方发达国家特别是美国对“氢经济”的研究达到了顶峰,而锂离子电池的相应基础研究在2002年至2007年的六年里陷入了低谷。当然,锂电池的产业化仍在快速发展。第二波燃料电池研究/产业化在2007年后逐渐降温,具体情况将在以下章节中详细讨论。自2008年奥巴马当选美国总统以来,美国政府在电动汽车方面的战略方向已从氢能和燃料电池转向锂离子电池,这是国际锂电池研究和产业化的第二轮。DOE不愿意做出这一改变,其背后的主要原因是氢气的工业化生产和储存,以及燃料电池在技术、成本和寿命方面的许多技术挑战,这些都严重阻碍了燃料电池电动汽车的工业化进程。日本的新能源研究和产业化政策主要由NEDO制定。与欧美在锂电池和燃料电池领域的过山车不同,过去几十年,日本在这两个领域的支持没有太大区别,主要是因为日本在这这两个方面处于全球工业化的领先地位,而欧美的锂电池行业从未发展过。如果我们仔细研究DOE近年来关于锂电池的年度报告(BATT和ABR项目)、欧盟的ALISTORE项目和日本的NEDO锂电池相关项目,我们可以看到,与上世纪末富有成效的第一轮锂电池研究热潮相比,本轮锂电池基础研究基本没有取得任何突破,但具有明显的学术“泡沫”特征(表现为“纳米锂电池”和磷酸亚铁锂),DOE。事实上,美国能源部的技术路线和发展目标一直是科技部和工业和信息化部制定新能源汽车科研和产业化政策的基本参考。那么,美国能源部下一轮对新型高能化学电源的研究和产业化重点将转向哪个领域?让我们拭目以待。事实上,了解化学电源发展史的读者应该明白,在过去的几十年里,二次电池和燃料电池并没有真正“遇冷”,但它们对它的关注程度不同。它们都经历了起起落落,所以化学电源行业以这样的螺旋式发展。
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