何祚庥院士_我国能否领导一场以锂1离子蓄电池为基础的电动车技术的革命

我国能否领导一场以锂离子蓄电池为基础的电动车技术的革命？(报告提纲)何祚庥摘要：本文指出汽车工业正在向广泛利用可再生能源作为动力方向转变。其一是大量利用桔杆产生的酒精来取代石油；其二是以锂离子蓄电池取代内燃机。前者将为我国农业的发展，提供新的机遇；后者将为我国汽车工业的发展，迎来春天。我国锂离子蓄电池技术已取得重要进展。当前汽车工业的重要方向是大力发展“以电为主，以油或酒精弥补蓄电池持续动力不足”的电油（注：亦即不是油电）或电酒精为混合动力的电动车，将来再转化为纯电动车。（一）汽车工业的迅速发展面临严峻的石油短缺的挑战！中国的汽车工业正在迅速发展。2004年，中国汽车的保有量约是2400万辆，其中仅北京市即高达240万辆！2004年，汽车的年产量达500万辆，2010年，预期的年产量将是800万或1000万辆。如果2010年轿车普及率达到36辆/千人的水平，仅轿车就消耗1.1亿吨石油。如果2020年达到67辆/千人的水平，就需要2.0亿吨石油。我国年自产仅1.7-1.8亿吨石油！预期中国的石油在上述年产额不变的假设下，将在30~40年内，包括可能的蕴藏量在内，即告枯竭！燃油交通所带来另一严重问题是空气污染。目前北京市大气污染的主导来源是汽车尾气污染。目前尚未引起公众关注的是铅污染。现在推广的“无铅”汽油，其实仍有5毫克/公升的铅！铅污染，已使我国盛产茶的茶乡，如龙井茶不能出口到欧盟！（二）解决石油短缺问题的根本出路在于大力发展电动汽车。a)可以考虑用汽油的代用品如甲醇、二甲醚、“煤变油”等燃料来缓解石油短缺，但均不可能从根本上解决石油短缺问题。在各种替代方案中，以酒精亦即乙醇(C2H5OH)备受关注。因为乙醇有可能较廉价地由可再生能源，亦即植物桔杆（如甘蔗）制作出来。所以，如何在中国土地上大量种植能转化为酒精的植物，将成为农业的重要发展方向。但是，中国土地所能产生的生物质能，亦即桔杆，大约是5亿吨标准煤，亦即可期望产生约1.0～1.5亿吨的酒精。但是，生产1立升乙醇要消耗0.15立升石油，故只能替代0.85立升石油，而且乙醇的热值约为汽油的61.5%。可以利用这一可再生能源缓和对石油的需求，但仍不能从根本上取代石油！除非我国能大幅度增加桔杆，亦即生物质能的产量。b)解决石油短缺的根本途径是电动汽车。电动汽车有三种类型：由电池驱动的纯电动汽车、由内燃机为主动力，蓄电池为辅助动力的油电混合动力电动车以及燃料电池电动车。电动车有明显的节能效益。现在内燃机全循环效率（fromwelltowheel）亦即从油井到车轮为12%~14%。对于纯电动汽车来说，fromwelltowheel从油井到车轮的效率约为29.6%~36.8%（其中火力发电效率为43~53%，电传输效率为92~93%，锂离子电池充放电的能量效率为83~85%，电机驱动系统效率90%，传动系效率90%，若采用轮毂电机就可以去掉传动系）；在混合动力方面，丰田Prius混合动力电动车的全循环效率高达32%；氢燃料电池电动车的全循环效率，强烈地依赖于如何制氢，由煤制氢，还是天然气制氢，电解制氢或核反应堆制氢。但是，用油制氢的丰田燃料电池电动汽车全循环效率仅达到18%！经济上，纯电动轿车每百公里耗电约18千瓦时，小排量经济型的小轿车耗油约9公升；以电价0.5元/千瓦时，油价4元/公升计算，前者是9元，后者是36元，其相对比例是1:4。为彻底解决石油短缺问题，只能寄希望于纯电动轿车或氢燃料电池电动轿车。油电混合动力车只能部分缓解对石油的需求。（三）对三种类型电动车的技术经济的比较。a)油电混合动力电动车在技术上已经成熟，是近期内可以产业化的车辆。混合动力电动车的优点是能充分利用现在的燃油车的生产线。缺点是仅有“有限度的”价格下降空间。混合动力能否在市场上受欢迎，将取决于市场的油价和政府是否给予政策性鼓励。在中国合资生产，即将上市的Prius混合动力车比在美国售价高约1万美元！原因是混合动力系统在日本生产！所以，这一油电混合动力车，其市场前景尚难预料。b)有相当一些人寄希望于氢燃料电池电动车。问题是氢燃料电池电动车的实现，还有一段漫长的路程要走！更为严重的是氢燃料电池电动车的价格问题。据国外报导：当前制造一辆氢燃料电池车的费用是普通汽车成本的100倍。即使批量生产，降低制造成本10倍，将仍然是普通汽车的10倍，亦即毫无市场竞争能力！车用氢燃料电池面临的另一巨大困难，是不可避免地要用贵金属，如铂作为催化剂，至今未能找到廉价的代用材料。2003年，布什总统宣曾布美国将投入17亿美元的巨资开发氢燃料电池驱动的电动车，期望能在20年内推向市场。这一倡议立即遭到科技界，尤其是物理学界的质疑！但是，2006年2月20日，布什开始了他的“能源之旅”。布什在“能源之旅”中，却大幅度地修正了他过去的看法。他认为，氢燃料电池电动车是一项长期研究的项目，既不是近期，也不是中期就可以实现的目标，也许是“孙子”一辈能使用的车辆！所以，在世界范围内，对氢燃料电池电动车的评价，正在发生变化。c)纯电动车在技术难度上要小于混合动力电动车，也小于氢燃料电池电动车。目前主要的限制因素是蓄电池技术。目前普遍使用的二次电池有四种：铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池。锂离子电池是综合性能最好的电池。比能量和比功率均很高，不污染环境，自放电很少。是混合动力电动车的理想辅助电源，但目前尚没有产品投入市场。当前纯电动车的行驶距离受电池容量的限制。成本是普通汽车的2~3倍，电池的成本约占电动车成本的40%。因此，目前人们普遍认为纯电动车很难在二十一世纪前期全面推广。为彻底解决大量发展轿车、货车所带来的石油安全问题，唯一的期望仍是大力发展纯电动车，因为无论从技术难度、经济成本、安全行驶，以及对环境的污染问题上，纯电动车的现实性和经济性均比氢燃料电池电动车优越得多！（四）而更值得关注的问题是：根据党中央所大力提倡的“自主创新”的精神，在轿车工业发展的技术路线问题上，我国能否领导一场以锂离子蓄电池为基础的电动车技术的革命？a)发展纯电动车的难点是蓄电池。人们之所以对大力发展纯电动车的决策犹豫不决，其难点也在蓄电池。我国有丰富的锂的资源。我国也不缺少镍、锰、铁、钒、钛、磷等相关资源，攀枝花铁矿所含钒、钛在世界上居于首位，目前却作为废料弃置而堆积如山！问题是必须突破有关锂离子蓄电池的各项技术。b)锂离子蓄电池有许多突出的优点：重量轻，储能大，功率大，无污染，也无二次污染，寿命长，自放电系数小，温度适应范围宽泛，是电动自行车、电动摩托车、电动小轿车、电动大货车等，较为理想的车用蓄电池。锂离子电池的缺点是：价格较贵，安全性较差。这是由于应用钴酸锂做蓄电池负极材料的结果。但是，由于新型安全型电池的出现，亦即用锰酸锂取代钴酸锂为正极材料，这一安全性的困难已大为缓解。至少对电动自行车已能保证其安全可靠地行驶。尤妙的是，锰的价格要比钴的价格低很多。所以，安全性能的提高将带来锂离子电池价格的下降。而且，已经有安全性更好，成本更低廉的如磷酸铁锂、磷酸钒锂等新型材料出现。所以，相当一些人们认为锂离子蓄电池将最终取代铅酸电池，镍镉电池，镍氢电池，甚而在价格上也将能和铅酸电池相比拟，或还要低一些！c）非常有兴趣的新出现的一种情况是：我国在锂离子蓄电池的研发方面，已获得重要进展，其研发水平，已相当接近纯电动车长期发展目标，对蓄电池所需性能的要求。d)美国先进电池联盟（USABC）为电动车用动力电池制定的中期（2000年）、长期（2010年）的发展目标，如表8所示。它所制定的电池发展目标已经成为业界认可的电动车用电池性能的标准。表8美国USABC电动车用动力电池发展目标e)从上述国际、国内锂离子蓄电池发展动向来看，可以认为这一技术难题的完全解决，已是为期不远。我国在锂离子电池方面的研究水平，已有多数指标超过了USABC提出的2010年长期指标所规定的目标。我们将不难预期，全部难题将在3~5年内均得到彻底解决。问题是如何走向产业化。（五）一个新的机遇——电油混合动力车需要向社会公众大力推荐的，目前在世界范围内，有关电动车的发展方向问题，正出现一种新思维，亦即从大力发展油电混合动力车，转变为大力发展电油混合动力车。“油电”和“电油”，这“两字”的颠倒，却代表着技术路线的巨大差别。油电混合动力电动车的基本思想，是以内燃机做为基本的动力，而以电弥补内燃机在耗油和污染方面缺点。电油混合动力电动车的基本思想，是以电作为基本的动力，而以油弥补蓄电池在储能，亦即在如何维持较长持续里程方面的缺点。电油混合动力车是向纯电动车的过渡车型。电油混合动力车只需9-10kwh的锂离子电池，只是纯电动车的1/6，整车成本大大降低。随着锂离子电池性价比进一步提高，电池数量逐步增加，直到实现全电动。现在在电油混合动力电动车方面所提出的新思想是：在60公里运行距离内，将全使用蓄电池作为动力，以解决居民们上下班所需用到的能源，在我国绝大多数大、中城市行驶可不用一滴汽油；而且，用晚上的低谷电充电，省掉了修建抽水蓄能电站的投资；仅在居民作长距离旅行在高速公路上以较高速度行驶时，才改用“油”，以弥补蓄电池储能的不足！但是这种仅供长距离快速行驶的内燃机要比通常能适应各种工作条件下的“内燃动力机”要容易开发。尤妙的是：我国自行研制的以锰酸锂为正极材料的蓄电池，已做到1800瓦/公斤的功率密度，其寿命已达到1000次，并正在向3000次冲击之中！所需要解决的，是如何组织力量，进一步将这类蓄电池转化为现实的电油混合动力的电动车！更值得关注产是：这类电油混合动力的电动车，将能进一步转变为电和酒精为混合动力的电动车，从而将混合动力电动车完全转变到以可再生能源为基础的轨道。这将是既适合我国国情，又及时跟上世界技术发展的有关小轿车、大货车的极重要的技术发展方向。我国必须及时抓住这一时机！（六）在解决我国所面临的能源、资源等困难的问题上，我国应采取何种国策？“从现在起就大力鼓励电动汽车的发展，10年之内完成，成功地领导一场汽车能源与技术的革命，一劳永逸地摆脱对于石油资料的依赖。”2005年8月31日的《科学时报》上分别刊登了周光召院士的一个讲话和王选院士的一个短文。周光召说：“现在科技界的自信心不足将妨碍我国的自主创新。比如有一个新想法，就会有人问：外国有没有？如果外国没有，就要接着问，我们干吗要做？这是一种缺乏自信心的表现。只有环境变得宽松一些，……才会真正有利于新的思想、新的看法涌现。”王选院士文章是《要有超过外国人的决心和信心》。他在文中回顾了他自身的经历。“有人问过我：‘你在从事激光照排研制过程中，最大的苦恼是什么？’我立刻回答说：‘最大的苦恼就是大多数人不相信中国的系统能超过外国产品，不相信淘汰铅字的历史变革能由中国人独立完成。’1980年前，对于我们跨越式发展的独特技术方案，大多数人的评价是‘根本做不出来’；1981年激光照排原理性样机鉴定后，直到1989年前，多数人的估计是‘即使做出来，也无法与外国产品竞争’。其实，在高技术领域，赶超外国产品的机会是很多的。”周光召院士和王选院士的这些讲话，值得我国决策者深思！（七）结论：我国能否在10~15年的时间内，在汽车工业的发展上，领导一场以锂离子蓄电池技术为基础的电动车的科学和技术革命？在当前，尤为重要的是：在国产锂离子蓄电池技术基础上，首先谋求电油混合动力电动车以及电酒精混合动力电动车的研发上，有所突破！如果这一技术革命得到成功，那么还将推广而及于解决农用机械，江河船舶，海上舰艇和海底潜艇的动力需求等问题。