纯电动汽车延长续航里程的关键是什么？

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时间：1900/1/1 0:00:00

“纯电动汽车有什么用？”应该有很多读者有这个问题。

与汽油车相比，电动汽车的运营成本更低，并且不会排放破坏环境的有害物质（二氧化碳和氮氧化物）。电动汽车作为未来的汽车形式，经常成为热门话题。此外，它还可以在发生灾难时用作电源，因此在东日本大地震后，人们的担忧程度进一步增加。但如果有人问：“你想买吗？”，很难点头。目前，电动汽车在街上真的很少见。

消费者犹豫购买的主要原因应该是充电的续航里程太短。例如，2013年8月，日产汽车官网记录的电动汽车“Leaf”（中国名：Leaf）的官方巡航里程（JC08模式）为228公里。比过去长得多，理想情况下它可以在东京和宇都宫之间旅行。

此外，还有充电基础设施的问题。如果电池没电怎么办？此外，可充电电池在使用过程中会变质。如果不消除这些担忧，电动汽车将很难普及。

作者不久前碰巧乘坐了一辆电动出租车。幸运的是，作者问出租车司机：“纯电动汽车呢？”

“啊，在寒冷的天气里，电池消耗特别快。供暖似乎消耗了很多电。”

这个答案让作者有点惊讶。提高电动汽车燃油效率的关键在于加热。自19世纪下半叶发明汽车以来，它已经通过发动机的内燃机制燃烧燃料100多年了，燃烧获得的能量转化为动力来驱动汽车。为了防止发动机过热，我们会一边开车，一边通过冷却装置进行冷却，所以我们一直模糊地认为“热”是一个障碍。但在电动汽车时代，“热度”变得非常有价值。

随着电动汽车时代的到来，有一项技术被突显出来，那就是储热技术。尽管作为驱动源的可充电电池也会产生热量，但与发动机产生的热量相比，热量并不大。目前，用于汽车供暖的发动机废热的损失意味着需要其他新的热源来提高电动汽车在冬季的续航里程，而实现这一目标的关键技术之一是储热技术。

行业目标值为1000kJ/kg

在冬季，为了保持车内一定的温度，电动汽车的耗电量很容易增加。因为车外空气和车内空气之间的温差可能比夏天更大。例如，当室外温度低于零度时，为了将室内温度保持在20℃左右，温差会超过20℃。当然，夏天的空调也耗电，但如果室内温度设置为25℃，而室外温度为35℃，则温差只有10℃。为了在冬季不消耗太多储存在可充电电池中的电力，确保新的热源也是纯电动汽车不可或缺的重要技术。因此，许多汽车制造商都非常关注新型储热技术的出现。

如果我们能开发出一种具有高储热特性的新技术，它将不仅仅涉及电动汽车。家庭和办公室等夜间用电的供暖和制冷系统有望被广泛用作全社会的能源对策。

代表储热技术特征的指标之一是储热密度，储热密度是指1公斤材料能储存多少热量，单位为“千焦/公斤”。为了在未来用于电动汽车，作为汽车相关行业研发目标之一的储热密度在低温区（0~100℃）为“1000 kJ/kg”。当然，可以使用大量的储热材料（介质）来储存大量的热量，但如果配备了汽车，最好以尽可能小的重量和体积储存大量热量。因此，作为未来的目标，提出了1000kJ/kg的目标值。当然，这不是一个立竿见影的价值，“1000”这个数字只是目前的挑战目标。

那么，这个数值是多少？以最常见的储热材料（介质）“水（H2O）”为例。我们在小学的自然科学课上了解到，“世界上上升和冷却最慢的物质是水”。事实上，无论是冬天使用的“热水瓶”还是晚上用电的“冰储”，都利用了水作为储热材料的作用。在低温地区，水的储热密度约为340~400kJ/kg。因此，为了达到1000kJ/kg，需要使用储热密度约为水的三倍的材料。

以较轻的重量储存大量热能的能力是非常重要的。这和可充电电池是一样的。如果它能有效地储存轻重量的热量，预计将用于有重量限制的汽车和飞机。从我们身边的例子来看，有断电后仍然可以使用的冰箱，有隔热性能优异的房子，有长期隔热的保温瓶，还有带制冷剂的饭盒等等，应用范围非常广泛。

实现目标的两种方法

通过容易地在当地储存热量，例如，将家用空调和储热材料结合使用，预计可以节省大量电力，并有助于平均功耗。夜间用电制冰或烧水，白天的空调和供暖技术已投入实际使用。据估计，如果热泵储热中心在夜间使用储热，可以将白天的最大用电量减少20%。

工业用储热材料……

e主要使用潜热储存材料。潜热储存材料是指在从液体变为固体或从固体变为液体时能够储存或释放热能的物质。例如，如果你在零下30摄氏度的温度下放一桶水，水会逐渐结冰。但在它完全冻结之前，桶里的水温是0℃。换句话说，水会持续释放0℃的热能。相反，把一个装满冰的桶放在零度以上30℃的温度下，在冰完全融化之前，桶里的水温会保持在0℃。水处于连续吸热（储热）的状态。

除了水之外，还有许多潜热储存材料已经投入实际使用。例如，无机水和物质如氯化钙水和物质，硫酸钠水和物质、乙酸钠水和物，以及有机化合物如石蜡。然而，储热密度与水的储热密度相似。从我们周围的例子来看，它已经被用于制冷剂、冰枕、冷藏设备等。

那么，储热密度为1000kJ/kg的储热技术能否实现呢？业内人士此前曾设想过供暖短缺的情况。尽管许多研究机构已经自行开展了很长一段时间的研究，但到目前为止似乎还没有开发出实用的技术。

有两种方法可以实现1000kJ/kg的储热密度。首先，利用现有的储热材料进一步改善其储热特性。二是开发新型储热材料。

前者，即改善现有储热材料特性的方法，目前正在多方面进行研究。例如，德国研究机构Flawn的Fraunhofer研究所正在与德国的ZeoSys合作，开发一种将沸石和水结合使用的储热技术。目前，主要设想将发电设施排放的热量作为水储存在水箱中。与只使用水相比，沸石可以储存3~4倍的热量。这意味着储热容器的尺寸可以减小到仅使用水时的尺寸的大约1/4。沸石是一种具有巨大表面积的多孔矿石。1g沸石颗粒的表面积达到1000m2。沸石颗粒利用巨大的表面积对水蒸气进行强烈吸附。水蒸气通过物理化学反应转变为水时损失的热量转移到沸石上，沸石的温度不会像只使用水时那样升高。因此，长时间储存热量应该很容易。

尽管基本原理之前已经广为人知，但它实际上并没有被用作储热技术应用的例子。研究团队最初使用1.5升和15升的容器来验证储热过程的可能性。目前，正在以750L L的规模进行成本削减实验。这项技术可以长期节能，经过数千次循环后没有发现变质，并且不排放有害物质。这些优势备受期待。

混合开发竞争

此外，从同样的角度来看，许多研究机构正在开发利用纳米技术将储热材料加工成细颗粒，并将其附着在具有微孔的材料上的技术。

此外，也有观点认为，仅通过改进现有的储热材料很难大幅改善特性。为了取得根本性突破，提高储热材料本身的性能是一条捷径。如果我们能够开发出特性大大超过现有储热材料的新材料，有望一举降低储热技术的整体成本。因此，作为一种研究和发展趋势，新型储热材料的研究日益兴起。

例如，不再使用以前主流的潜热储存材料型储热技术，而是使用通过化学反应加热和吸收热量的“化学反应型”模式。化学反应储热利用伴随热量产生和热量吸收的可逆化学反应。储热采用吸热反应，散热采用放热反应。其优点是储热密度高，在一定温度下产生热量，如果将反应物质分离，则易于储存。

在我们周围的物质中，一个有代表性的例子是在运动场上划线时使用的水合钙（熟石灰）。如果氧化钙水合物被加热……

它会产生氧化钙（生石灰）和水。相反，向氧化钙中加水会产生热量，生成水合氧化钙。这种化学吸热和放热反应预计将用于储热。

氧化钙也是一种常用的食品干燥剂。这种干燥剂加水后会很快变热，因此干燥剂上有“请勿接触水”的提醒。干燥剂是在从水中分离出氧化钙后密封的，有时用来加热便当和罐装日本葡萄酒。氧化钙与水的反应热为1500kJ/kg。许多观点认为，如果柔性控制反应机制能够付诸实践，这将是一个重大突破。

此外，东京大学和麻省理工学院（MIT）的联合研究团队也积极开发材料，例如利用分子动力学模拟来设计储热材料。此外，在最近的1~2年里，与热传导的重要元素“声子”（称为音韵学研究领域）相关的研究突然活跃起来。除了储热，包括隔热和散热在内的热管理研究也在与日俱增。在这些研究中，可能会诞生超越以往技术的储热技术。

总之，无论哪种方式，我们都在积极推动尚未建立的技术的研发。对全球技术趋势非常敏感的欧美风险企业也在独立推进研发。不难想象，围绕储热技术将展开激烈的技术竞争。

在不久的将来，如果正在进行的研发成功，人们对电动汽车巡航里程将因加热和冷却问题而大幅缩短的担忧将减少。储能技术不仅是推动电动汽车普及的大好机会，而且将成为与储能技术相结合解决能源问题的核心技术。“纯电动汽车有什么用？”应该有很多读者有这个问题。