发展新能源车要攻破电化学的“城墙口”

“能源是制约我国未来发展最为重要的问题之一。我国2018年原油产量加上净进口量达6.3亿吨，对外依存度高达69.8%。燃油汽车是否能够持续快速增长？不可能！”中国工程院院士、固体表面物理化学国家重点实验室学术委员会主任、厦门大学教授孙世刚26日下午在昆明进行《云南科学大讲堂》演讲时如是说。根据国家统计局和公安部的数据表明，我国汽车销售量惊人，连续十年位居世界第一位。2018年，全国机动车保有量达3.27亿辆，是不折不扣的化石能源消费“大户”。同年，新能源汽车保有量261万辆，居世界首位，但仅占机动车保有量的0.8%。按照规划，我国到2020年新能源车保有量500万辆，2030年达到8千万至1亿辆。 “我们的电动车发展速度和规模世界第一，但仍然落后于规划。电动车的重要性越来越凸显，为何发展还是相对较慢？电池性能是电动车发展的主要瓶颈！”孙世刚院士说，电动汽车与燃油车竞争的焦点在于速度、续航里程、可靠性以及价格，提高电池能量密度是减小电池自重量、提升巡航里程的关键。目前，新能源汽车电池主要分为电化学能源储存和电化学能源转换两大类，也就是人们常说的充电电池或二次电池，以及燃料电池。按目前的路径看，锂离子电池更适合替代汽油机，而氢燃料电池更适合替代柴油机。通常汽车加一次油行驶500公里左右，新能源汽车要达到这一指标，要求电池的能量密度高达500瓦时每千克，相应的电极容量为正极材料须大于250 毫安时每克，负极材料须大于1000 毫安时每克。孙世刚院士说：“看似简单，但这中间存在很多前所未有的技术问题，需要逐一去解决。”通常，电池的能量密度取决于正极和负极材料的能量容量，其功率密度取决于正极和负极材料的倍率性能，其使用寿命取决于正极和负极材料的循环性能，而快速发展的电动车、规模储能、5G、AI 等对二次电池提出了越来越高的要求，需要进一步突破从正负极材料的藩篱，组合形成不同能量和功率的锂离子电池，从而满足电池高能量密度、高功率密度、高安全性、长寿命、宽工作温度和低成本的要求。目前，锂-硫电池、锂-空气电池或将成为下一代锂电池的首选，钠电池也成为储能电池的重要备选。在燃料电池方面，也有诸多难题需要攻克，因为不止是电动汽车，各种地面发电站、偏远地区能源、心脏起搏器等医疗动力、移动通讯办公都仰仗燃料电池。目前，要提高车用燃料电池的性能，提升催化材料铂族金属的利用率是最大的挑战。铂族金属资源稀少、价格高昂，进一步改善催化剂表面结构与性能是重要的路径，目前，固体表面物理化学国家重点实验室，以及云南贵金属研究所等单位正加紧攻关。此外，开发非贵金属催化剂也是大势所趋。孙世刚院士还认为，基础设施建设也是目前新能源汽车发展中面临的重要挑战。到2018年底，我国累计建成公共充电桩约 72.8 万台，但这个建设速度，还远远跟不上新能源车增长的速度和需求。同时，按照中国汽车工程学会公布的《节能与新能源汽车路线图》，到2020年，燃料电池加氢站将超过100座；到2025年，超过300座，但截至2018年9月，我国仅有23座运营，26座在建。建设速度慢，成本高昂是一大原因。目前建设一座每天加注200公斤氢气的加氢站，不含土地成本，需要800万至1000万元人民币。在接受科技日报记者专访时，孙世刚院士还强调指出，目前我国亟需开发自主知识产权的电化学能源新材料、新体系、发展新机制、新理论。在现阶段，我国已有重点布局，设立了许多重点研发项目，把资金投向最关键的领域，其中就包含了电池、电控系统等。这个过程中，人才也在不断提升。另外，全球新能源发展形势很快，作为市场竞争主体，企业要瞄准一个方向，坚持不懈攻关，不怕失败，一个问题一个问题解决。