滑铁卢大学陈忠伟团队Nature子刊综述: 各类新型电池和燃料电池在电动汽车市场中的商业化展望

【引言】

电动汽车市场增长迅猛，然而主流锂离子动力电池使其很难达到500公里以上的续航里程。本综述第一次深度解析了电动汽车市场的未来发展需求，并将之与新型二次电池和燃料电池的技术进展相融合。为能量存储技术在未来可移动电子设备商业化进程提供了发展路线图。

【成果介绍】

滑铁卢大学陈忠伟教授团队联合巴拉德，戴姆勒奔驰等电动汽车领军企业和美国阿贡国家实验室等顶尖科研机构，结合电池研发，市场推广及产业化前景，对动力电池的技术发展及商业化进行了深度解读，共同在《自然》子刊-Nature Energy上发表题为“Batteries and fuel cells for emerging electric vehicle markets”的综述文章。相比传统的基于电极材料设计和电池性能比较的综述类文章，该工作深度融合了学术界和工业界对动力电池的能量密度，成本，安全性以及电网兼容性所提出的要求及制定的标准，系统评估了不同种类的动力电池的市场应用前景。从战略上为先进二次电池和燃料电池技术的未来商业化指明了可能的方向。

发展新能源汽车是各国的国家战略抉择，但是在减缓气候变暖的大格局下，电动汽车的发展仍然不尽如人意，如图1所示。锂离子电池是当前最具实用价值的电动汽车动力来源，然而它的低能量密度和高成本远远不能满足未来的电动车市场需求。例如在2016年的一项调查中发现，美国消费者中超过一半的人难以接受购买续航里程280公里以下且超过普通燃油车价格5000美元的电动汽车。令人遗憾的是，图2表明目前市场上仍未出现完全满足如上需求的电动车。虽然锂离子电池包预计2030至2040年能降至70美元／千瓦时，但即使是最具性价比的三款电动汽车仍有三成左右的消费者不愿意购买。除了价格因素，锂离子电池包的安全性和快充能力仍然需要进一步提高以获得市场更为广泛的接纳。

基于目前存在的问题，使用可替代的能量存储与转化技术显得尤为重要。图3展示了不同可充电电池及燃料电池的重量能量密度，体积能量密度以及能量存储系统的成本。高能量密度，具有快速填充能力的氢燃料电池系统在重型长距离运输载具中具有广泛的应用前景，锂硫电池、锂空气电池以及锌空气电池在长里程低成本电动汽车上的适用性更胜一筹。虽然铅酸电池以及镍氢电池在能量密度上没有明显的优势，但是这些电池具有更高的功率和更低的制造成本，因此可以在低成本汽车中作为辅助功率型电池使用，或者基于其安全，不易燃的特点作为长距离运输载具的辅助里程提升电池使用范围。除了上述的特点以外，其他特点比如循环寿命，使用寿命，能量效率以及电网兼容性都决定了清洁能源技术在下一代电动汽车中的成功应用。

【图文导读】

图1. 国际能源署“高于2摄氏度方案”中提出的电动汽车销售和电动汽车市场共享演进图

图2. 2017年款电动汽车续航里程与价格补贴汇总

图3.可充电电池与氢燃料重量能量密度，体积能量密度以及能量存储系统的成本

图4. 未来市场的可替代电池和燃料电池潜在适合领域

【小结】

在本篇综述文章中，我们针对这些替代的电池以及燃料电池做出全面的综述，并评估了这些电池克服作为动力能量存储系统所存在障碍的潜力。我们发现虽然没有一种电池或燃料电池系统可以适用于电动汽车的所有市场，但这些讨论的储能技术可以帮助支持至少一种电动汽车的市场。虽然锂离子电池还具有很好的与电子设备配套使用的能力，但其他类型的电池以及燃料电池混合驱动的载具会加速汽车向低碳环保运输模式的转变。

文献链接：Batteries and fuel cells for emerging electric vehicle markets (Nat. Energy, 2018, DOI：10.1038/s41560-018-0108-1)

【通讯作者介绍】

陈忠伟：加拿大滑铁卢大学(University of Waterloo)化学工程系教授，加拿大国家首席科学家(CRC-Tier 1), 国际电化学能源科学院副主席，加拿大工程院院士。陈忠伟院士带领一支约70人的研究团队常年致力于燃料电池，金属空气电池，锂离子电池，锂硫电池，锂硅电池，液流电池等储能器件的研发和产业化。近年来在Nature Energy, Nature Nanotechnology, Nature Communication, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials, Energy & Environmental Science, ACS Nano 等国际知名期刊发表论文220余篇。目前为止，文章已引用次数近 14000次, H-index 指数为58，并担任ACS applied & Material Interfaces副主编。

课题组主页：http://chemeng.uwaterloo.ca/zchen/

本文由滑铁卢大学化工系提供，特此感谢。

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