水系锂电池科研被误读及其它

时间:2013-04-24 11:49来源:洲际电池网 作者:control
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最近,复旦大学教授吴宇平压力很大。
   3月中旬,他的一项关于水系锂电池的最新研究成果,被多家媒体误读为“电动车充电10秒可跑400公里”,如果真是这样,就意味着尚存诸多技术难题的纯电动车产业一夜之间看见了曙光。
   因此,有行业分析立即指出,锂资源、锂电池材料和锂电池制造的产业链上市公司将被爆炒。果然,受此消息提振,锂电池概念股表现强势,多只个股一度飙升到两市涨幅榜前列。
   然而,这一消息很快遭遇业内专家的质疑,“这就像水变油一样,在科学上是不成立的。”复旦大学党委宣传部向《财经》记者出具材料,认为出现这样的结果,起始于媒体的错误解读,然后被股市庄家和券商借用炒作。
   吴宇平课题组的这项实验室成果为一种新型水锂电池。实验室数据显示,其能量密度比同样大小的传统锂电池高出80%,能量效率高达95%。这一研究成果发表于3月7日《自然》出版集团旗下的网络开放期刊《科学报道》。
   一项实验室成果被夸大成为炒作题材,从另外一个角度看,正说明锂电池行业缺乏激动人心的进展,特别是动力锂电池存在着诸多技术瓶颈,造成纯电动车市场踟蹰不前,而且这种障碍将长期存在。

被夸大的成果

  3月13日,本是吴宇平的一个大日子。复旦大学新闻中心邀请多家媒体对“水锂电”成果进行集体采访。
   传统锂电池的工作原理,是依靠锂离子在正负电极之间的迁移而产生电流。所使用的电解液多为有机溶剂,对水分的要求非常苛刻,因为锂的化学性质很活泼,跟水接触会发生剧烈反应,释放出易燃易爆的氢气,所以1吨重的电解液中,水含量不能超过15克。如果水分控制不好,锂电池在使用中会像烤面包一样鼓胀起来,只能报废。
   吴宇平课题组反其道而行之,选用水溶液制作锂电池。其创新点在于:在金属锂外面包覆一层高分子材料和无机材料制成的复合膜,然后将其置于普通水溶液中,相比粘性很大的有机电解液,锂离子在粘性很小的水里奔跑能提速10倍到100倍,因而具备快速充放电的能力。
   在介绍“水锂电”的特性时,吴宇平举例说,如果充电设备符合要求,从实验室结果看,6秒左右可以充满55%的电量;未来用于汽车上,电池充满后有望行驶200公里-400公里。
   对此,一些业内人士认为,新型水锂电没有进行过装配实验,就预计电动车可跑200公里-400公里,这种说法非常不严谨。按照复旦大学新闻中心主任方明的说法,这组数据又经媒体进一步推演和嫁接后,最终被错误表述为,“电动车充电10秒可跑400公里。”
     这个说法的荒谬之处在于:按目前纯电动车的技术水平,行驶400公里大约需要70度(千瓦时)的电量,10秒钟充满,就需要25兆瓦的充电功率,这相当于一座小型电厂的发电功率;而且,根本没有电线能够胜任这项输电任务;此外,在短时间内注入这么大的能量,很有可能引发电池爆炸。
   复旦大学化学系内部就此次事件组织了科学讨论会,结论是水锂电作为探索方向有前景,但距离形成实用产品有差距。
   实际上,复旦大学在宣传中也不无夸大之嫌,比如将刊发论文的刊物称为《自然》的子刊,其实这本新创的网络开放期刊跟《自然》杂志只拥有共同的出版商,影响力根本无法同顶尖科技期刊——《自然》相提并论。
   中国科学院物理研究所清洁能源中心研究员李泓认为,科研人员当然要竭力维护自己的研究成果,但科学家还要保持平常心。
   技术进步是一个漫长的过程。世界范围内,锂电池能量密度的进步速度为每年提高3%-5%。在锂电池的很多技术方向上,学术界甚至还没有形成共识。以电池的体积为例,有些企业认为应把单个电池做大,这样电动车的电池组就会使用较少的电池;而有些企业则认为单个电池应该做小。到底哪个好,现在没有结论,但这两种路径显然又差别很大。
   然而,在锂电池研究领域,却不时冒出突破性的消息。诸如,将能量密度提高很多,在短时间内能够充放电多少次,事实证明很多研究都难以产业化。李泓说,“进步是渐变的,不是跳跃性的。”
 
寿命短成本高
  
   媒体报道后,工信部和上海市政府有关部门、几家骨干国企都上门了解情况,并现场观看了实验演示,对水锂电的发展方向表示肯定,亦有企业表达了合作研究的兴趣。
   要将这项研究成果产业化,起码需要五年至十年时间、几亿元的投资,其间还会遇到很多研究者难以预料的关口。 
   在清华大学核能与新能源技术研究院锂离子电池实验室主任何向明看来,吴宇平的探索开拓了新思路,但只是一个实验室成果,远不能称之为技术,跟电动车产业关系甚远。而吴宇平也担心,国内企业特别是民营企业,对科技成果转化的难度认识不够,心态较急,认为只要花几千万元买下来,就立刻可以生产。
   因为与庞大的汽车业搭上了界,锂电池被公认为是最有希望的动力电池。目前就技术而言,纯电动车似乎也没有其他选择,必须依靠锂电池的发展。
   但锂电池的一个突出矛盾就是能量密度低,且进步缓慢。电池的能量密度指单位体积或质量所储存的电能。能量密度越高,产品使用时间越长,体积也越小而轻便。
    锂电池另一致命的缺点是,使用寿命也不尽如人意。纯电动车的电池系统是由多个单体电池串并联组成电池组,再由若干电池组形成的电池包。北京化学试剂研究所高级工程师廖红英表示,就像“木桶原理”,性能最弱的单个电池决定了这个电池包的寿命,“若有一个害群之马,整个电池包可能就会停止工作”。
   在纯电动车的制造成本中,电池占到40%-60%。一般汽车是15年的使用寿命,纯电动车中锂电池的使用年限仅5年。一辆普通家用轿车的价格约10万元,如果购买相同配置的纯电动车,则要再支付10万元的电池成本,这让消费者难以接受。
   电动自行车领域也是这样,虽然锂电池的能量密度、循环充电次数都大大优于铅酸电池。但铅酸电池的更换成本平均为450元左右,锂电池则为1000元左右,因此锂电池仅占据了2.5%的市场份额。
   《2012年中国锂离子电池产业研究》显示,中国是世界上除日本外最大的锂电池生产国及主要消费国,规模达到397.4亿元。其中笔记本电脑占23%,手机占50%,为最大应用领域。但是,何向明认为,动力锂电池只发展了十年时间,是仍处于早期的幼稚产业。 
   安全性,也是影响消费者信心的重要因素。在2013年1月的两周内,波音787连续发生两起与电池有关的事故。2011年,杭州众泰纯电动出租车自燃事件、雪佛兰沃蓝达新车碰撞后电路起火事件,问题都出在电池上。 
   北京科技大学材料科学与工程学院教授赵海雷向《财经》记者介绍,当电动车发生碰撞事故时,如果电池组受到撞击短路,就有可能导致起火、爆炸。甚至有的电池组充放电次数多了,也会有类似问题。
   目前纯电动车使用的锂电池,都没有从本质上解决安全性问题。清华大学汽车工程开发研究院常务副院长宋健曾表示,从原理来讲,高压电伏是威胁电动车安全性能的主要因素,到现在为止,世界上还没有任何一项技术能从根本上解决这个难题。

补贴应理性

   锂电池之所以被业界看好,主要是环保考量。中国政府针对铅酸电池企业进行了大力整顿,2013年3月26日,工信部、环保部、商务部、发改委和财政部发布文件,把铅酸电池和再生铅产业作为淘汰落后产能的重点行业。此前两年,全国排查了铅酸电池企业1962家,81%的企业被关停。
   铅酸电池造成的环境污染,主要发生在企业不规范的生产过程和回收处理环节。同理,尽管锂电池被认为是绿色电池,但是,如果不进行回收处理,一样会污染环境。铅酸电池的回收甚至比锂电池做得好,因为铅酸电池中的铅有回收价值,而锂电池回收在经济上并不划算。
   锂电池还必须面对一个难堪的现实:锂电池的所有原始专利,几乎都掌握在美、日、韩手中。据何向明介绍,美国长于原创,产业则是日、韩各有优势。中国电动车企业没有原始专利,没有核心的知识产权,一出口就会遭遇专利问题,这对中国研发锂电池技术很不利。
   但是,“官员们不爱听这话,他们愿意相信中国人通过勤奋很快就能创造世界一流”,一位锂电池研究者抱怨。他认为,应该认清中国在技术上的差距,在电池的研发上多下功夫。
   科技部部长万钢,是电动车的力挺者。在2013年的全国“两会”上,他乘坐一辆银色的纯电动车出席多场会议。“十二五”期间,他主政的科技部将安排专项资金30亿元,用于支持电动车的科研。
   现在,纯电动车基本都是政府示范项目,从政策层面获得的支持力度相当大。2010年6月,财政部、科技部、工信部、国家发改委联合发布了《关于开展私人购买新能源汽车补贴试点的通知》,确定在上海、长春、深圳、杭州、合肥五个城市启动私人购买新能源汽车补贴试点工作,对纯电动车每辆最高补贴6万元。政策主要补贴的就是电池成本。
   根据中国汽车工业协会的统计数据,最近两年中国电动汽车销量仅为27432辆,其中绝大部分是公共采购,共23032辆,私人购车数量仅4400辆。《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》曾提出,到2015年,国内纯电动车和插电式混合动力汽车累计产销量力争达到50万辆,但实际销售数据与此目标相去甚远。
   美国也面临相同情况。根据绿色汽车网站Hybridcars的数据,2012年,美国共销售出了48.8万辆混合动力汽车、插电式混合动力汽车和纯电动汽车,仅占美国汽车销量的3.3%。
   美国总统奥巴马曾在2011年国情咨文中提出,到2015年,美国要实现电动汽车累计销量超百万辆。不过,在2013年初,美国能源部不得不宣布,这一目标将被放弃,要制定出更切合实际的战略目标。
   美国政府已经从追求产业销售数据,转向在未来九年内致力于推动先进技术发展,降低电动汽车制造成本,其具体目标是在,2015年将锂电池的成本从目前的每千瓦时650美元降至300美元。
   麦肯锡预测,到2020年,锂电池汽车市场将具有竞争力。现在的情况是,“政治家准备好了,但电池没准备好。”李泓说。

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