對國外的新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)文獻(xiàn)的翻譯工作，作為學(xué)術(shù)研究和行業(yè)研究的重要組成部分，對于推動國內(nèi)相關(guān)事業(yè)的發(fā)展，溝通中外學(xué)術(shù)交流，具有積極作用。本文對各種化學(xué)電池和燃料電池的相關(guān)性能比較，使我們對各種電池在長距離、低成本、高利用率的交通場景中的應(yīng)用及優(yōu)化選擇有了進(jìn)一步的了解，對于促進(jìn)新能源電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步具有指導(dǎo)作用。

【綜述】

當(dāng)前的電動汽車幾乎完全采用鋰離子電池提供動力，但電動汽車在全球汽車市場占據(jù)主導(dǎo)地位尚有很長的路要走。

除政策支持外，電動汽車實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用還需要高性能和低成本的儲能技術(shù)，這些儲能技術(shù)不僅包括電池，還包括各種其他電化學(xué)裝置。在此，我們對多種電池和在商業(yè)方面最具發(fā)展?jié)摿Φ臍淙剂想姵剡M(jìn)行綜合評估。

本文將目前鋰離子動力電動汽車分三個應(yīng)用場景（或者說是市場）進(jìn)行討論，即“長距離交通”場景、“低成本交通”場景和“高利用率交通”場景，而鋰離子電池在此三個應(yīng)用場景中表現(xiàn)都不盡人意。要想改善電動汽車在此三個場景中的表現(xiàn)，這些電動汽車必須提升的技術(shù)特性包括比能量、成本、安全性和電網(wǎng)兼容性。我們將就這些性能方面有著不同側(cè)重或組合的6大儲能及能源轉(zhuǎn)換技術(shù)在以上每個應(yīng)用場景的情況進(jìn)行比較分析或單獨(dú)評估。本文的其余部分簡要討論了這些清潔能源技術(shù)的技術(shù)狀況，以強(qiáng)調(diào)尚需攻克的技術(shù)壁壘。

【正文】

雖然早在19世紀(jì)初就有了電動汽車，但電動汽車（EV）的普及是近10年才開始。全球電動車的銷量從2010年的不到10,000輛逐步上升到2016年的774,000輛，累計(jì)超過200萬輛。汽車電汽化現(xiàn)在被視為幾乎所有道路運(yùn)輸?shù)闹饕吞蓟緩健Ｒ驅(qū)Τ鞘锌諝赓|(zhì)量的擔(dān)憂，一些國家提出了限制銷售內(nèi)燃機(jī)車輛（ICEV）和有電動車來替代內(nèi)燃機(jī)車的計(jì)劃。

從技術(shù)角度來看，電動汽車的成功可以歸因于電化學(xué)儲能技術(shù)的進(jìn)步。鋰離子電池單體電芯的比能從20世紀(jì)90年代的約90wh/kgcell增長到今天超過250wh/kgcell，這就使各種型號的汽車在標(biāo)準(zhǔn)工況下行駛更遠(yuǎn)的距離。

與此同時，鋰離子電池組的成本已從超過1,000美元/kwh降至約250美元/kwh，使電動汽車價(jià)格降至消費(fèi)者接受的水平。

圖1揭示了在遵照國際能源署（IEA）為將全球平均溫升限制在1.75℃之內(nèi)所提路徑方案前提下電動汽車?yán)塾?jì)銷售及其市場份額的變化情況。這個被稱為攝氏2度情景（B2DS），要求到2060年，累計(jì)電動汽車銷售額為18億，電動汽車市場份額為86％。圖1中左上角的小圖表所示，2016年電動汽車?yán)塾?jì)銷量約為200萬輛，市場份額為0.2％，這表示當(dāng)前全球電動汽車的使用還在初級階段，要達(dá)到2060年的目標(biāo)仍有極大的發(fā)展空間。

到目前為止，電動汽車的應(yīng)用受政策措施的很大影響，例如財(cái)政激勵措施、銷售授權(quán)和免費(fèi)充電等。雖然這些政策可能會刺激電動汽車的擴(kuò)大使用，但在財(cái)政上不可持續(xù)性或許不可能將電動汽車的使用擴(kuò)大到達(dá)到圖1中規(guī)定的市場份額所需的水平。此外，鋰電電動汽車由于其儲能能力、安全性和可獲得成本的這些固有的特性限制，不確定是否適用于任何汽車市場。

因此，能夠?yàn)殡妱悠囼?qū)動系統(tǒng)提供動力的技術(shù)是當(dāng)前的重要關(guān)注點(diǎn)。

在此，我們評估了電池和氫燃料電池在改善電動汽車性能并降低電動汽車的成本方面的發(fā)展?jié)摿ΑＮ覀兪紫葋砣懊枋鲆幌落囯x子電池驅(qū)動的電動汽車還沒有實(shí)現(xiàn)很好的市場滲透的三個應(yīng)用場景的情況，討論若要電動汽車在這些市場場景中取得成功需要在能源技術(shù)方面進(jìn)行提升的有哪些。

然后，我們比較和評估了五種電池的屬性，這五種電池通常被認(rèn)為有望替代鋰離子電池在電動汽車上的應(yīng)用。最后，我們提供了除氫燃料電池之外的每個電池的簡要狀態(tài)評估，并討論了這些電池能滿足新興電動汽車市場技術(shù)需求的發(fā)展?jié)摿Α?br/>
新興電動汽車市場中的儲能技術(shù)壁壘

下面，我們就三個不同應(yīng)用場景（即“長距離交通”、“低成本交通”和“高利用率交通”）對所需提升的儲能技術(shù)的技術(shù)特性作一個概述。

“長距離交通”場景。行駛距離短或“行程焦慮”的技術(shù)問題常被看作是消費(fèi)者不選擇電動汽車的因素。也許是因?yàn)榕c其他發(fā)達(dá)地區(qū)相比，美國人的旅行距離要求更長而對公共交通的依賴程度更低，在美國，人們尤其希望電動汽車有更長的行駛里程。2016年的調(diào)查中，超過一半（54％）的美國消費(fèi)者考慮購買電動車的行駛范圍至少175英里（282公里），超過四分之一的美國消費(fèi)者（29％）需要行駛范圍375英里（604公里）的電動車。

盡管電動車能夠?qū)⑷剂铣杀窘档腿种唬?2％的受訪者依然不能接受在汽油動力車的基礎(chǔ)上多花費(fèi)5000美元去購買電動汽車，而29％的受訪者甚至連1000美金的額外費(fèi)用也不愿支付。

在圖2中，是與普通燃油車進(jìn)行對比，當(dāng)前美國市場上銷售的電動汽車?yán)m(xù)航里程及其高出同型號燃油車的價(jià)格（一下簡稱“溢價(jià)”）的對照比較情況。值得注意的是，每輛電動車的成本至少比其相同車型燃油車的平均車價(jià)高出5000美元。

雖然有其他因素像如低產(chǎn)量和額外的汽車特性，會提升電動車的成本，但就電動車行駛里程和價(jià)格溢價(jià)之間的正相關(guān)性可見，電池的成本為車輛成本增加的一大因素。對一款針對美國消費(fèi)者的里程滿足購買意愿車型（延續(xù)上文提到的消費(fèi)者）調(diào)查繪制了一個需求邊界曲線圖標(biāo)，圖表顯示52%-54％的美國消費(fèi)者要求價(jià)格溢價(jià)和行駛范圍低于上限要求的電動車，29％的美國消費(fèi)者要求電動車的價(jià)格溢價(jià)和行駛范圍低于要求下限。

該圖表明，如果沒有政府激勵措施，目前可用的電動汽車甚至不能滿足50％美國消費(fèi)者的需求。

近來的預(yù)測顯示，由于生產(chǎn)效率的進(jìn)一步提高，到2030年或2040年，鋰離子電池組模塊的成本將降至接近70美元/千瓦時。如果調(diào)整2017年的電動車價(jià)格以反映這一趨勢，三款車型（雪佛蘭Bolt、現(xiàn)代Ioniq電動車和特斯拉Model3）超過了美國50％的消費(fèi)者需求門檻。然而，能反映這一價(jià)格趨勢的的電動汽車仍遠(yuǎn)無法滿足近30％的美國消費(fèi)者的要求，甚至可能也無法滿足其他的高度依賴汽車的國家的消費(fèi)者。即使車輛價(jià)格中不考慮儲能成本的因素，目前也沒有一款電動車能滿足這30％的美國消費(fèi)者對于行駛里程的需求。

因此，在不增加成本的情況下顯著改善電動車的行駛范圍似乎是滿足“長距離交通”市場需求的唯一方式。這就需要通過增加車輛存儲的能量密度（Wh/kg）來減輕車輛重量。然而，就鋰電子電池來說，顯著增加比能需要金屬鋰陽極材料、提升電池電壓或減少安全組件等措施，所有這些出于對安全性的權(quán)衡是不可接受的。固態(tài)鋰離子電池是安全引入鋰金屬和高壓材料的最有可能的途徑之一;然而，迄今為止報(bào)道的電池，要么是具有不可接受的低面積容量（小于1mAh/cm2，這意味著比最先進(jìn)的鋰離子電池更低的比能量），要么是不可接受的低循環(huán)壽命（20個循環(huán)或更少）。

即使是具有鋰金屬陽極的高度優(yōu)化的鋰離子電池實(shí)際上可能也不會超過350Wh/lcell。因此，需要采用具有更高比能、更低成本和更安全的替代電池的化學(xué)機(jī)制和儲能技術(shù)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程運(yùn)輸市場的電動化。

“低成本交通”場景。電動汽車的價(jià)格與其對應(yīng)的行駛里程，可能會成為車主越來越關(guān)心的問題。圖3顯示通過數(shù)據(jù)擬合手段對一組特定國家的汽車（包括電動車和傳統(tǒng)燃油機(jī)汽車）注冊數(shù)據(jù)所作的車型選擇非線性分布分析結(jié)果。對于每增加一公里行駛里程，美國消費(fèi)者愿意支付額外的21美元，而新興國家（如中國、印度、巴西和印度尼西亞）的消費(fèi)者平均只愿意多支付8.4美元。

圖3揭示了與各個國家汽車價(jià)格對應(yīng)的羅吉特模型消極因素，該因素衡量價(jià)格上漲而降低消費(fèi)者購買汽車的意愿程度的指標(biāo)。整體而言，新興國家的消極因素明顯高于美國。中國則是一個例外，數(shù)據(jù)表明更高的價(jià)格卻驚人的增加了汽車購買的可能性。盡管如此，包括兩輪車和三輪車在內(nèi)的更便宜、更小巧的低速電動汽車在中國的高銷量，與傳統(tǒng)電動汽車(截至2016年，總銷量超過2億輛)相比，表明中國與印度、巴西和印尼一樣，對低成本交通工具有著強(qiáng)烈的市場需求。

中國等新興市場的電動汽車價(jià)格溢價(jià)與發(fā)達(dá)國家相似。隨著新興國家的工業(yè)化發(fā)展，低成本的交通運(yùn)輸市場預(yù)計(jì)將會迅速成長，但目前鋰動力電動車明顯不足。如果將圖2中緊湊型和超小型汽車的電池能量與車輛行駛距離繪制成圖，其斜率為0.19kWh/km(表示每增加一公里里程的能耗)。對于新興國家，平均支付意愿(如上所述為8.4美元/km)除以0.19kWh/km，以獲得大約45美元/kWh的儲能成本目標(biāo)。因此，開發(fā)一種成本低于45美元/kwh的電化學(xué)儲存技術(shù)是在新興市場實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸電汽化的一個有價(jià)值的方向。

換句話說，成本低于45美元/Kwh的電化學(xué)儲能技術(shù)對于新興國家實(shí)現(xiàn)交通電汽化發(fā)展目標(biāo)是可行的，或者說，與鋰離子電池價(jià)格相當(dāng)?shù)饶芰扛叩钠渌夹g(shù)也是可行的。

“高利用率交通”場景。與消費(fèi)型的車輛相比，那些利用率更高的汽車（即投入使用的時間占比高）是導(dǎo)致氣候變化和空氣質(zhì)量變差的一個重要因素。例如，2015年貨運(yùn)車輛占全球運(yùn)輸業(yè)二氧化碳排放量的三分之一左右，隨著乘用車變得更加省油，這一比例在工業(yè)化國家中會進(jìn)一步增加。因此，將公共交通和貨物運(yùn)輸從傳統(tǒng)車輛過渡到高利用率電動車這一挑戰(zhàn)亟待解決。

高利用率對電動汽車中使用的儲能技術(shù)的有更高的要求。首先，快速充電（例如，充電時長小于一小時）成為更重要的考慮因素，車輛充電所需的時間不應(yīng)該對車輛的運(yùn)行時間表造成影響。多個國家已經(jīng)部署能夠?qū)崿F(xiàn)快充的鋰離子電池電動巴士，并在公交站點(diǎn)專門為電動巴士設(shè)計(jì)了快充裝置；

然而，這可能導(dǎo)致電池的衰減和安全問題的增加。多輛電動車的同時快速充電也會對電網(wǎng)的部件造成過大的壓力，這就需要昂貴的技術(shù)升級。因此，高利用率電動車與電網(wǎng)之間平穩(wěn)的實(shí)現(xiàn)快速充電，是一個需要考慮的重要方面。

許多高利用率車輛（例如卡車，公共汽車和火車）的另一個關(guān)鍵特征是其相對于個人運(yùn)輸車輛的較大重量。鋰離子電池組必須按比例調(diào)整到更大的尺寸，保證這些車輛行駛等同的距離。但較大電池組的低表面與體積比意味著散熱較慢，往往也會導(dǎo)致電池的衰減和安全問題增加，甚至需要使用昂貴或有毒化學(xué)品的復(fù)雜冷卻技術(shù)。因此，具有更高比能量和安全性更高的能量存儲和轉(zhuǎn)換技術(shù)（例如，非易燃材料）對于高利用率的電動車尤其具有吸引力。

多種可替代電化學(xué)技術(shù)評估

前一節(jié)指出，對于續(xù)航里程更長、成本更低的電動汽車來說，增加比能或降低儲能成本(與鋰離子電池相比)至關(guān)重要，而快速充電、電網(wǎng)兼容性和安全運(yùn)行對于高利用率的電動汽車至關(guān)重要。當(dāng)然，鋰離子電池表現(xiàn)出其他儲能手段無法比擬的特性。

圖4所示，比較了除鋰離子電池外，其它幾種被認(rèn)為可用于電動汽車的儲能技術(shù)的相關(guān)特點(diǎn)的比較。其中安全評級由電解質(zhì)的類型(易燃或非易燃)、熱失控風(fēng)險(xiǎn)機(jī)率和有毒或腐蝕性物質(zhì)泄漏機(jī)率等決定。對每個電池的快速充電能力是根據(jù)其功率密度進(jìn)行半定量評定，而對每個電池的電網(wǎng)兼容性是根據(jù)其能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行半定量評定。由于能夠在不中斷電網(wǎng)傳輸?shù)那闆r下實(shí)現(xiàn)氫氣的快速傳輸，則氫燃料電池具有最高的快速充電和電網(wǎng)兼容性。

要注意的是，圖4中氫氣儲能的特點(diǎn)(比能、能量密度和儲能成本)不應(yīng)該忽略掉氫燃料電池系統(tǒng)的質(zhì)量、體積和成本等因素而直接與其他各種化學(xué)電池的能量特性進(jìn)行比較。與其他普通電池不同的是，氫燃料電池組合的總能量(即儲存的氫氣總量)可以通過燃料電池的總功率單獨(dú)增加。由于這種根本區(qū)別，氫燃料電池不包括在下面的分析中；氫燃料電池與鋰離子電池的評估在一個獨(dú)立的部分中。

圖4中電池的某些衡量指標(biāo)（即比能、能量密度和儲能成本）來近似計(jì)算車輛里程(RV)、車輛總成本(CV,T)和電池組體積(VolB)，以便得到更實(shí)際的評估數(shù)據(jù)。每一個指標(biāo)都是電池組能量(EB)的函數(shù)，分別由式(1)、式(2)、式(3)計(jì)算：

其中ECEV（Wh/kmkg）是車輛的能量消耗效率，MV（kg）和CV（US$）分別是車輛質(zhì)量和車輛成本（不包括電池在內(nèi)），CB（US$/kWh）代表電池組成本，SEBC（Wh/kg）和EDBC（Wh/l）分別代表電池的重量比能量和能量密度，km，B和kvol，B（無單位）分別是電池組質(zhì)量費(fèi)用系數(shù)和體積費(fèi)用系數(shù)。分配給每個電池的費(fèi)用系數(shù)(見附表2)反映了每種電池運(yùn)行所需的安全設(shè)備或空氣管理設(shè)備(只針對金屬空氣電池)的配套水平。

小型車輛（常見于需要低成本車輛市場）、中型車輛（常見于需要長距離車輛市場）和半掛車（代表高利用率市場）的結(jié)果分別列在圖5的5a.b、5c.d和5e.f中。三種車型的數(shù)據(jù)在附表1、2和參考文獻(xiàn)中可見。車輛成本作為行駛里程的函數(shù)，如圖5a,c,e所示，直到每輛車的電池容量超過特定的空間限制。由于空間限制，鉛酸電池（Pb-acid）和鎳氫電池（Ni-MH）電池的低能量密度明顯被看作是一個很大的缺點(diǎn)。相較于鋰離子電池，成本較低的鋰硫（Li-S）電池、鋰空氣（Li-air）電池和鋅空氣（Zn-air）電池在實(shí)現(xiàn)更長續(xù)航里程的潛力是顯而易見的。

圖5b、d、f所示為增加行駛距離(US$/km)的成本，這可以與消費(fèi)者愿意為增加行駛距離付費(fèi)的調(diào)查結(jié)果相比較。從圖5b可以看出，鋰硫電池、鋰空氣電池和鋅空氣電池可以使微型汽車增加額外續(xù)航里程的成本大大接近于圖3所示的新興國家的平均支付意愿。

圖6顯示了使用圖4中每個電池的能量和成本指標(biāo)的上、下界限值，可以得出的中型汽車成本和里程組合的大致范圍。從這里可以看出，鋅空氣電池具有適合最長距離交通場景的應(yīng)用潛力，而鋰硫電池則具有適合最低成本交通場景的應(yīng)用潛力。但這種評估并未規(guī)定每塊電池是否有足夠的功率、日歷壽命、能量效率和自放電率在電動汽車中正常運(yùn)行。因此，圖5和圖6僅展示了每塊電池化學(xué)成分對于降低成本和增加行駛里程的基本潛力。下面將詳細(xì)討論在消費(fèi)者、商業(yè)和公共交通應(yīng)用中實(shí)施這些技術(shù)的實(shí)用性的細(xì)節(jié)。

各種商用可充式電池

我們首先看兩種目前商用的可充電電池，并將其作為鋰離子電池的替代品進(jìn)行評估。

鉛酸電池。這是目前世界成本最低和應(yīng)用最廣泛的充電電池。但是，由于它們的比能和能量密度較低，因此對于低行駛里程電動汽車而言，它們僅比鋰離子電池劃算(圖5)。此外，它們的體積大和循環(huán)壽命、比功率和能源效率低，往往使它們在新型低成本和低速自行車和車輛的選擇中，不如鋰離子電池更受到青睞。然而，鉛酸電池的一些優(yōu)點(diǎn)也使它具有吸引力，這就是它們在車輛電氣化過程中的輔助作用。除了低成本外，還包括低溫操作（低至-40°C）時更好的充電安全性和較低的自放電率。

因此，目前對鉛酸電池的大部分應(yīng)用是再生制動充電和混合動力汽車的發(fā)動機(jī)輔助。這需要電池能夠在部分充電狀態(tài)下存在多達(dá)數(shù)十萬個高功率“微循環(huán)”。當(dāng)傳統(tǒng)的鉛酸電池在高放電率時的，一個主要問題是負(fù)極上的絕緣硫酸鉛晶體的不可逆生長，這將對其快充能力造成損傷。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)多種碳添加劑可以通過改善導(dǎo)電性、減緩硫酸鹽晶體的增長速度以及引入電容行為來緩解高充電和放電速率這一問題。這些“鉛碳”電池在低成本混合動力電動車概念中展現(xiàn)出了前景，隨著動力的進(jìn)一步改善，對于具有雙能源的全電動低成本車輛可能具有吸引力。

鎳氫電池。1989年，商業(yè)推廣的鎳氫電池是最常見的鎳基電池，并且在大多數(shù)指標(biāo)中比鉛酸電池的性能更好。直到現(xiàn)在，它們還是混合動力電動汽車的常規(guī)選擇，因此，該技術(shù)已經(jīng)在再生制動充電和全電動制動方面得到了很好的優(yōu)化。然而，鎳和氫化物的儲存金屬成本較高，使它們比鉛酸電池更昂貴；事實(shí)上，在鋰離子電池成本降低之后，它們現(xiàn)在甚至比鋰離子電池更貴。

由于鋰離子電池具有更高的比能量、能量密度和循環(huán)壽命，而鉛酸電池成本更低，鎳氫電池似乎在新興的電動汽車市場就毫無優(yōu)勢存在。然而，鎳氫電池中使用的含水電解質(zhì)和低活性金屬使得它們本身更安全，并且它們良好的耐低溫性可以使它們在寒冷氣候下用于車輛啟動。它們的安全性使他們可以被放置在更有沖擊力的區(qū)域，比如車輛前端，這對于鋰電池來說是危險(xiǎn)的。鎳氫電池替代結(jié)構(gòu)部件和能量吸收材料被認(rèn)為是一種降低車輛重量的創(chuàng)新性方法，從而使電動車可以行駛更長的里程。

其他幾種新興充電電池

下面我們來看看三種新興且被普遍認(rèn)為可用于電動汽車儲能應(yīng)用的電池技術(shù)。

鋰硫電池。與典型的鋰離子嵌入式陰極相比，硫陰極的成本低得多，這些電池的理論鋰容量高出4.5倍，因此越來越受到人們的關(guān)注。不幸的是，硫陰極的許多特性對該電池的良好性能構(gòu)成了障礙，像如循環(huán)時的體積變化、硫和硫化鋰的低導(dǎo)電性，以及普通鋰電池電解質(zhì)中硫的相對高溶解度。這些問題導(dǎo)致低循環(huán)壽命和高自放電率，這都會對電動車的儲能技術(shù)造成困擾。鋰硫電池還必須包含一個鋰金屬陽極，以提供相對于鋰離子電池更可觀的比能量。鋰金屬陽極也存在一些問題，包括循環(huán)壽命短、快速充電能力差(由于鋰枝晶形成和不可逆電解液消耗)、高自放電(由于多余的副反應(yīng))以及制造和運(yùn)行中越來越多的安全問題。

為了解決上述困難，科研人員研究了含有與多孔碳或?qū)щ娋酆衔铩叭萜鳌苯豢椩谝黄鸬牧虻碾姌O，它可以抑制硫的溶解，同時適應(yīng)體積膨脹，提高導(dǎo)電性，并在充電和放電過程中允許可逆的鋰離子遷移。關(guān)于鋰金屬陽極，減少枝晶形成和減少副反應(yīng)的大多數(shù)方法是用鈍化層、涂層、隔膜或固態(tài)電解質(zhì)保護(hù)陽極。這些技術(shù)的發(fā)展將促進(jìn)更高的循環(huán)壽命和更高的容許電流，而不會造成比能和能量密度的損失，這些是很難達(dá)到的，因?yàn)槠駷橹刮墨I(xiàn)中的示范電池在實(shí)際電荷率和比能下都無法運(yùn)行超過500個循環(huán)。

鋰硫電池的能實(shí)現(xiàn)的最大實(shí)際比能600wh/kg和估計(jì)最低成本為36US$/kWh，對于鋰電池來說是一個相當(dāng)大的進(jìn)步，這對于上文討論的三種新興電動車市場就具備了吸引力。除非它的循環(huán)壽命得到實(shí)質(zhì)性的改善，否則鋰硫電池對于高利用率的電動車并非是好的選擇。另一方面，這對于偶爾進(jìn)行長途行駛的消費(fèi)型車輛可能是實(shí)用的，因?yàn)殡姵睾苌偻耆烹娧h(huán)。很少有司機(jī)進(jìn)行長途行駛（超過200km）而導(dǎo)致中等型號的鋰硫電池深度放電；因此，頻繁長途駕駛導(dǎo)致電池退化的顧慮應(yīng)該比傳統(tǒng)的里程焦慮(即無法長距離駕駛)要少得多。因此，在消費(fèi)型電動車中鋰硫電池可作為鋰電池的有力替代者，因?yàn)樗某杀据^低，并降低了行駛里程的顧慮（圖5）。

鋰空氣電池。這類電池使用大氣中氧來產(chǎn)生電能，在比能和能量密度方面相較于鋰硫電池有了進(jìn)一步的改善。然而，它們的循環(huán)壽命卻低很多，最多只有大概100個循環(huán)。改善它的循環(huán)壽命卻遇到了很多問題，例如鋰放電時的空氣電極堵塞，高壓充電引起的催化劑降解，空氣中水分引起的鋰金屬副反應(yīng)和電解質(zhì)不可逆的分解等問題。此外，盡管對于鋰空氣電池的比功率和能量密度無法精確的評估，但由于空氣電極的氧動力學(xué)不穩(wěn)定，這些指標(biāo)較先前討論的電池可能更糟糕。

此外，算上為保護(hù)電池免受空氣中二氧化碳和水份破壞的裝置，達(dá)到在汽車上應(yīng)用水平的鋰空氣電池的最大能量密度為384wh/lsystem。這就限制了鋰空氣電池（相較于鋰電池）的長途行駛能力（圖6）。另一方面，此類電池的低成本和高比能仍對長距離和低成本電動汽車具有吸引力（圖5）。然而，與鋰硫電池不同，鋰空氣電池在實(shí)際操作中需要附加一個大功率電池，因?yàn)樗鼈兊谋裙β士赡芎懿睢?br/>
鋅空氣電池。鋅空氣電池盡管比鋰空氣電池比能低，但由于其技術(shù)更先進(jìn)和更高的實(shí)際能量密度，因此更有可能在未來的電動汽車中使用。在鋰離子電池出現(xiàn)之前的幾十年中，可充電的鋅空氣電池被看作是實(shí)現(xiàn)車輛電氣化的選擇。與鋰空氣電池相似，它們較差的比功率和能效使它們無法成為電動車的主要動能選擇；然而，應(yīng)用在雙電池的配置中，它們可能會很有前途。它們可以與高功率的鉛碳電池相結(jié)合生產(chǎn)低成本的電動車，雖然它們需要更長的循環(huán)壽命以延長汽車的使用壽命。或者，它們可以作為主要由鋰離子電池驅(qū)動的電動汽車的增程器來提升電動汽車的行駛距離；如果司機(jī)只是偶爾需要長途行駛，就使得它們的短壽命和低效率相對不那么重要了。盡管雙電池概念會增加成本和技術(shù)復(fù)雜性，但就鋅空氣電池自身固有的安全性使其非常適合雙電池配置，因?yàn)椋ㄏ袢珂嚉潆姵兀┸噧?nèi)的物理空間限制較少。

這些成功的應(yīng)用是基于可充電的鋅空氣電池更加耐用。提高含氧官能團(tuán)催化劑和鋅電極的循環(huán)穩(wěn)定性，同時保持較高的比能和能量密度，這有利于提高電池的使用壽命。減少或消除空氣電極中的碳也能改善鋅空氣電池的壽命，因?yàn)樘蓟諝怆姌O即使在電池處于靜止?fàn)顟B(tài)時也會受到堿性電解質(zhì)的腐蝕。空氣中二氧化碳在空氣電極孔隙中形成碳酸鹽，以及電解液的蒸發(fā)，這是鋅空氣電池長期使用面臨的一大問題。對于增程器的應(yīng)用，可以使用空氣過濾器和可重新密封的通風(fēng)口來解決這些問題。

氫燃料電池

氫是一種能量載體，可以從低碳能源中產(chǎn)生，并相對于大多數(shù)電池以高比能儲存（圖4）。因此，在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，氫燃料電池其脫碳的能力而被定為選擇目標(biāo)。2013年至2014年，現(xiàn)代、豐田和戴姆勒先后推出了第一款大規(guī)模生產(chǎn)的燃料電池電動汽車(fcev)，該車采用聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池。這些車輛相對于當(dāng)前的純電電動車（BEV）的優(yōu)點(diǎn)包括行駛里程更長（超過500公里）和加油更快（重新填充氫氣儲罐3-5分鐘）。但燃料電池電動車的總體部署僅占2016年電動汽車總銷售額的一小部分（低于1萬輛或少于0.5％），他們必須克服一些障礙，才能更好的被市場接納。

燃料電池電動車購買價(jià)格高于傳統(tǒng)汽車，是因?yàn)樗鼈兣c純電電動車相似，使用電化學(xué)電源。儲氫罐和燃料電池系統(tǒng)使用的貴金屬和設(shè)備，如鉑、碳纖維、增濕器和熱交換器，使其造價(jià)升高。隨著制造量的增加，幾乎所有這些部件的成本都將大幅下降，但鉑族金屬(PGM)催化劑因其稀缺性卻是個例外。為了達(dá)到與混合燃料汽車類似的總PGM含量，燃料電池電動車必須將PGM負(fù)載降低到目前最先進(jìn)水平的四分之一。這也體現(xiàn)了開發(fā)具有降低PGM水平和改進(jìn)的效率和耐久性的催化劑的研究工作的重要性。

圖7a和圖7b分別顯示了中型車和半掛卡車車型的純電動汽車和氫燃料電池汽車的成本對照。用氫氣消耗效率代替了能耗效率，算上儲氫罐和燃料電池系統(tǒng)的額外質(zhì)量、體積和成本，普通的氫燃料電池汽車的里程、成本及其能源存儲和轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的總體積等指標(biāo)可用通過將前面方程（1）、（2）、（3）調(diào)整成下面公式(4)、(5)和(6)進(jìn)行估算，這樣就可以分別估算出氫燃料電池汽車的里程、車輛總成本以及電池組、電池系統(tǒng)和儲氫罐的總體積了。

其中MH2（kg）是儲氫量，HCEV（kgH2/km*kg）是車輛的氫氣能量轉(zhuǎn)化效率，SEH2（kWh/kg）是氫的比能，MFC（kg/kW），PFC（kW），CFC（US$/kW）和VFC（l）分別是燃料電池系統(tǒng)的質(zhì)量，功率，成本，體積；MHT（kg），CHT（US$/kWh）和VHT（l）分別是儲氫罐的質(zhì)量，成本和體積（詳情請參閱附表3）。FCEV的成本與增加駕駛距離的關(guān)聯(lián)度不高，因?yàn)樵黾有旭偩嚯x只需要增加儲氫罐的尺寸、數(shù)量或壓力，這比每千瓦時的鋰離子電池組更輕、更便宜。然而，目前高成本的燃料電池系統(tǒng)使得傳統(tǒng)FCEV比用于消費(fèi)型汽車的BEV更昂貴(圖7a)。根據(jù)以前預(yù)測看，消費(fèi)FCEV和BEV的等成本交叉點(diǎn)將出現(xiàn)在低行駛里程；但近年來鋰離子電池成本的急劇下降，以及長期預(yù)期成本更低，增加了等成本點(diǎn)。另一方面，在大部分實(shí)際行程（圖6b）中半掛車的電氣化似乎更適合用燃料電池系統(tǒng)而不是鋰離子電池系統(tǒng)。當(dāng)考慮到電池系統(tǒng)的附加重量(達(dá)到長距離行駛所需的重量)減少電池驅(qū)動的半掛車所能運(yùn)載的總有效載荷時，這一點(diǎn)尤其正確。

一些新型的氫燃料電池汽車裝備了一個更大的鋰離子電池，它提供了(i)純電池驅(qū)動的短程旅行和(ii)更大的動力輔助燃料電池，這可以使氫燃料電池更加小型化。這樣的插電式混合動力氫燃料電池汽車的續(xù)航里程可以通過方程（7）進(jìn)行估算，我們將式(1)和式(4)的組合進(jìn)行了修改：

由于燃料電池系統(tǒng)更小的尺寸，作為所儲氫氣質(zhì)量（其他假設(shè)參數(shù)見附表3）的函數(shù)，方程（7）的計(jì)算結(jié)果是更低的汽車成本和更長實(shí)際續(xù)航里程（如圖7a所示）。利用遠(yuǎn)期預(yù)測成本和800公里續(xù)駛里程，一輛中型插電式混合動力燃料電池汽車大概比同尺寸鋰離子電池純電動汽車便宜5000美元，而比同型號普通內(nèi)燃機(jī)汽車貴6000美元，這使其對相當(dāng)一部分美國消費(fèi)者頗具吸引力（如圖2所示）。續(xù)駛里程達(dá)2000公里的混合動力氫燃料電池汽車也在開發(fā)之中。

目前，對于氫燃料電池汽車應(yīng)用的一個較大的障礙是缺少氫氣的運(yùn)輸和供應(yīng)設(shè)施。氫氣加注站（包括氫氣的輸送和生產(chǎn)）的成本在100萬到1000萬美元之間，這遠(yuǎn)大于電動車快充站（不到20萬美元）的成本。因此，在短期內(nèi)，氫燃料電池汽車和氫基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展最適合高利用率的商用車領(lǐng)域，在這一領(lǐng)域，在少數(shù)幾個戰(zhàn)略位置建立的氫氣加注站就可以為預(yù)先規(guī)劃好的、高利用率的行駛路線上的車輛提供服務(wù)，這就合理解釋了其較高的成本。然而，大規(guī)模的升級電網(wǎng)以滿足電動汽車的充電需求可能比安裝氫燃料補(bǔ)給網(wǎng)絡(luò)更昂貴。

推廣氫燃料電池汽車使用的另一個考慮因素是其關(guān)于電池的能效。整個“綠色汽車氫循環(huán)”，包括通過水的電解、氫氣的壓縮(如有必要)的運(yùn)輸，以及氫在燃料電池中的轉(zhuǎn)化為動力，以氫氣的形式儲存能量，其效率通常在25-30%左右(沒有熱量的回收和利用)。目前工業(yè)氫的使用率很高，盡管碳排放量也較高。相較之下，純電動汽車的充電和行駛的總效率約為80%-85%，這意味著氫燃料電池汽車可能需要從電網(wǎng)獲得2.5至3.5倍的能量才能驅(qū)動相同的距離。

但是，F(xiàn)CEV和BEV的運(yùn)行總成本相比應(yīng)該包括（i）升級目前的電網(wǎng)與建設(shè)氫基礎(chǔ)設(shè)施的成本；（ii）考慮如何在電力需求低的時候儲存滿足高峰需求所需的過剩能源。在英國的一項(xiàng)該類研究表明，一個只依賴于用電力驅(qū)動終端應(yīng)用（比如純電動汽車）的電氣化策略技術(shù)路線，其代價(jià)將是以氫氣作為主要能源載體的（全尺寸車型）終端應(yīng)用技術(shù)路線的三倍。同時也應(yīng)該注意到，以堿性電解質(zhì)和儲氫相結(jié)合的技術(shù)路線有著各種其他商業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用技術(shù)的最低建設(shè)成本（以每千瓦時成本計(jì)算）。

最后，質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池的耐用性是其成功應(yīng)用的一個重要考量因素。特別是在“高使用率交通”市場領(lǐng)域，對氫燃料電池的一個重要考驗(yàn)就是其是否展示了可比擬現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)汽車壽命的足夠的耐用性。可喜的是，2輛質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池大巴最近取得了25000小時以上的運(yùn)行記錄，這相當(dāng)于4-6年的使用壽命，符合美國能源部和聯(lián)幫交通管理局制定的作為動力的氫燃料電池的壽命指標(biāo)。乘用型燃料電池汽車也正接近5000小時的運(yùn)行目標(biāo)，而得益于在燃料電池與更大功率電池之間切換的優(yōu)化方案，插電式混合動力燃料電池汽車的耐用性更高。

展望

對各種（化學(xué)）電池和燃料電池的比能量、能量密度、成本、安全性和電網(wǎng)兼容性等性能進(jìn)行（進(jìn)一步）優(yōu)化提升是它們在長距離、低成本和高使用率交通領(lǐng)域成功應(yīng)用的必由之路。雖然沒有任何技術(shù)適合所有的應(yīng)用場景，然而本文中討論的幾種電池技術(shù)每一種都能適用于至少一個新興的電動汽車市場（如圖8所示）；高功率鉛酸電池（鉛碳電池）能夠?qū)Φ统杀倦妱悠囉玫凸β省⒏弑饶茈姵匦纬桑ㄓ幸娴模┭a(bǔ)充；而鎳氫電池通過提供更多能量的同時替代結(jié)構(gòu)及吸能組件的方式，可以提升鋰離子電池電動汽車的續(xù)駛里程。

鋰硫電池則可在長續(xù)駛里程和低成本交通領(lǐng)域完全替代鋰離子電池。而鋅空氣電池和鋰空氣電池也可在這些應(yīng)用領(lǐng)域作為“增程器”發(fā)揮作用。最后來說說氫燃料電池，其“快充”和“電網(wǎng)友好”的自然特點(diǎn)非常適合高使用率交通場景，

而氫氣的高比能和高能量密度也使其在長續(xù)駛里程電動乘用車領(lǐng)域非常有吸引力。盡管鋰離子電池在一些電動汽車應(yīng)用領(lǐng)域有著以上諸多性能的最佳組合，但是，考慮將各種不同的化學(xué)電池和氫燃料電池有目的的進(jìn)行組合來驅(qū)動電動汽車的辦法不失為通往真正清潔低碳交通之路的高可行性過渡手段。