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电动车不是什么新鲜玩意儿。早在1996年，美国通用汽车公司（GM）就推出过世界上第一款纯电池驱动的民用轿车。但如果不是因为2006年上映的一部名为《谁杀死了电动车？》的纪录片，大部分美国人都不知道有这回事。 原来，上世纪90年代初期，加州政府通过了一项环保政策，规定各大汽车公司必须生产一定数量的纯电池驱动轿车。通用响应得最快，推出一款名为EV1的电池驱动双门轿车，但只供应加州和亚利桑那州的少数几个城市，而且只能租不能买。与此同时，通用和其他汽车公司（以及一些石油公司）一道，运用法律手段强迫加州政府撤销了那项规定，该车随即停产。2003年，通用收回了全部1117辆EV1，除了少数几辆车捐给了博物馆外，其余全部销毁。 纪录片《谁杀死了电动车？》用煽情的手法讲述了这段鲜为人知的故事，指责汽车公司和石油公司为了眼前利益，不惜牺牲环境，杀死了电动车。但通用汽车公司却宣称自己被误解了，通用的官网刊登了一篇辟谣文章说，这款电动车之所以停产，只是因为它赔钱，没有其他阴谋。
赔钱的原因只有一个：电池太差了。 蓄电池与环保尴尬 电池发展到今天，可充电的蓄电池占了主流。第一款民用蓄电池是铅酸电池，诞生于1859年，其优点为瞬间放电能力强，价格便宜，缺点是容量不够大，充电过量时容易发生铅泄漏，污染环境。第二代民用蓄电池是镍镉电池（NiCd），其基本技术早在1899年即已成形，20世纪40年代技术改进，电池整体可以被密封起来，终于得以进入家电市场。人们最早接触到的家用AA充电电池就是镍镉电池，它的优点是容量比铅酸电池大，大电流放电性能好，自放电速率低，缺点是存在记忆效应，对充电操作程序的要求高。另外镉是一种毒性较高的重金属，不但污染环境，而且很贵。现在这种电池已经基本被淘汰了。 下一个进入市场的是镍氢电池（NiMH），容量比镍镉电池更大，而且没有了镉元素，再加上镍的回收很容易，因此对环境十分友好。通用曾经于1999年推出过EV1二代，用的就是镍氢电池。但是这种电池有个致命的缺点，就是自放电速度太快，如果搁置不用，很快就没电了。 镍氢电池的容量还是不够高，于是日本索尼公司于1991年推出了锂离子电池（Li-ion）。这种电池依靠锂离子传递电流，阴极材料是碳，阳极则有很多种，分别具有不同的功效。目前最常见的是用氧化锂钴做阳极，其电容量是目前所有充电电池当中最高的，而且没有记忆效应，自放电速率低，广泛应用于需要长时间待机的笔记本电脑和手机中。锂离子电池最大的缺点就是价格贵。一来钴金属比较贵，二来其内电阻较高，大电流充放电时容易产生过热，甚至爆炸，因此需要额外配备保护电路，这就大大提高了使用成本。家用镍氢电池直到上个世纪90年代才刚刚问世，通用汽车公司明知电池技术还不过关，硬着头皮生产出EV1，纯粹是为了应付加州政府的环保政策。但是，电动汽车对环境的改善作用并不像大多数人想象的那么美好。事实上，很多看似环保的举措都禁不起推敲，比如曾经有人从二氧化碳减排的角度出发，提出用液氢来代替汽油，美国前总统小布什就是此法的拥趸。可是，这个想法热闹了一阵子就平息了，因为氢气不是一种可开采的自然资源，而是需要消耗能量来提炼的。 电池也是如此，和氢气一样，电池只是一种能量储存和传递的方式。要想知道电动车是否更环保，必须从发电这个环节开始考量。目前世界上大多数电能来自火力发电厂，化石能源转换成电能的平均效率大约为33%左右，最好的可以达到40%，进一步提升则非常困难。电力传输通常要消耗10%左右的能量，因此化石能源转换成电能的效率大约为25%。另外，电池充电的效率也不可能达到100%，而是有20%左右的损失。所以总的来说，电动车的能量利用效率大致在20%左右，和汽油发动机的热效率大致相当。 电动车的支持者把希望寄托在发电方式的改革上。假如将来地球上的发电站都采用风能、太阳能、水能和生物质能等可再生能源，那么电动汽车的环保优势才能显现出来。同样，有人认为电动车可以降低空气污染，但电动车只是把污染从城市转移到了发电厂所在的农村而已。不过，发电厂产生的废气比较集中，便于处理，比如最近正热的CCS技术，就是把热电厂产生的二氧化碳收集起来埋入地下。但是这个方法存在很多问题，距离大规模应用还有很长的距离。 与此类似，电池生产本身是一个高污染行业，但随着制造业“南迁”，这种污染被转移到了发展中国家（尤其是中国），很多西方环保主义者在这个问题上选择性地失明了。好在随着技术的进步，电池制造过程对环境的污染越来越小，这个问题有望在不远的将来得到彻底的解决。由此可见，起码从目前来看，电动车对环保的作用并没有那么大。它最直接的好处是降低了消费者对石油的依赖，具有战略上的意义。但普通老百姓并不会在乎这一点，他们只有在电动车和传统汽车差别不大的时候才会考虑改换门庭。要想达到这一目标，最大的技术瓶颈就是电池。通用第一代EV1采用的是一台重达533公斤的铅酸电池，充一次电需要8小时，最多只能跑120公里，开长途肯定是很不方便的，很难在美国这样的国家普及开来。 物理学杀手 与所有的电池一样，电动车电池不但需要提高单位体积（或重量）的电容量，还必须加快充电速度，降低造价，增加可充电次数。事实上，高容量、快速充电和低成本的电池都已经造出来了，只可惜没法在同一块电池上同时实现这些功能。笔记本电脑和手机等家用电器采用了牺牲一部分性能换取另一部分性能的办法，比如手机电池对容量要求很高，对充电时间和次数的要求就不那么高，因为用户通常不会在乎那点时间，而电池往往没等用坏，手机就已经过时，需要更换了。所以，在这个市场，容量大但价格昂贵的锂离子电池占了主流。 家用电器充电电池没有竞争对手，即使性能不够完美，也已经是消费者最好的选择了。汽车电池可没有这样的待遇，因为它有一个可怕的竞争对手??汽油，汽油为汽车电池树立了一个很高的标准，竞争不过汽油，电动汽车便无法生存。汽油最大的好处就是单位体积的热容量高。别看液氢的热容量也很高，但它比重太小了，同样体积的液氢热容量只有汽油的1/3。也就是说，液氢汽车必须附带一个200升的燃料箱才能达到目前小轿车的里程数。电池的热容量差得就更远了，EV1使用的铅酸电池单位重量的热容量只是汽油的1/1000，即使考虑到电动机的效率比汽油发动机高3倍，两者的热容量也相差了300倍之多，难怪EV1使用的电池如此巨大，但行驶里程数还是无法和普通汽车相比。新一代锂离子电池的单位热容量提高得很快，但也还不到汽油的1/30，所以充电一次所能行驶的距离太短，始终是电动汽车发展的瓶颈。 汽油的第二个好处就是便宜。虽然不久前原油的价格曾经达到过每桶150美元的水平，但那主要是政治因素在作怪。中东地区石油的开采成本每桶不到2美元，其他地区也高不到哪儿去。但即使我们按照每桶150美元的价格计算，电动汽车的优势也不大。美国加州大学伯克利分校的物理学教授理查德?穆勒（Richard Muller）为该校文科生开过一门课，介绍物理学在日常生活当中的应用。他为学生们算过一笔账：如果以目前市场上的笔记本电脑电池为例，一块电池储存了60瓦时的能量，可以充电700次，也就是说一块这样的电池可以释放的总能量为42千瓦时。该电池售价为130美元，折合每千瓦时3美元，这比美国的电价（每千瓦时10美分）要高出很多。相比之下，每升汽油含有的热容量大约相当于9千瓦时，一般发动机的热效率都在20%以上，所以每升汽油可以做的功约为2千瓦时左右。美国油价最高的时候也没有超过每升1美元，最低时每升汽油只要50美分。所以说，用电池的费用远比用汽油要高。贵的原因不是电价，而是电池的价格。 值得一提的是，如今笔记本电脑电池的性价比已经比EV1使用的铅酸电池要好多了，可见当初EV1是多么不合算。GE始终没有公布过EV1的售价，但有专家猜测它的造价大约是每辆8万美元。去年刚刚在美国上市的特斯拉全电动跑车（Tesla Roadster）充一次电可跑320公里，相当不错，但它的电池是由6831个高性能（同时也是高价）的锂离子电池组成的，整车售价为10万美元，一般人可消费不起。 汽油的第三个好处就是能量传输速度快。去加油站加一次油用不了2分钟，再加上交钱找零，最多5分钟就能重新上路。可目前的充电电池充一次电少说也要1小时，差距很大。我们同样可以用物理学的方法计算一下两者的差别在哪里。一般家用交流电插头的最大输出功率为3千瓦，骨干民用线路可以扩大10倍，达到30千瓦，但如果把汽油的能量换算成瓦，那么加油枪的输出功率高达5000千瓦！难怪加油的速度比充电快多了。 以上的计算还只考虑了民用输电线路的承受能力。电池之所以能够储存电能，靠的是电池内的化学反应，其速率也是有上限的。真正能够快速充电的电池是电容电池，它不需要化学反应，所以可以在一瞬间完成充电过程。可惜电容的物理特征决定了电容电池的容量很难做大，目前还远不能满足汽车工业的需要。 可见杀死电动车的凶手不是石油公司，而是物理学。 那么，谁来拯救电动汽车？答案还得是物理学。随着技术进步，锂离子电池的电容量在10年里提高了1倍。虽然这一速度远远不及微电子领域的“摩尔定律”（即每18个月翻一番），但考虑到电池容量的物理限制，这一进步还是很了不起的。电池充电速度的进步则更加明显。目前科学家都把注意力集中在锂离子电池上，1996年开发出的用氧化锂锰代替氧化锂钴做阳极的锂离子电池充电效率提高了10倍，但容量也相应地下降了很多。与此同时，又有人开发出一种新的阳极材料，可以把充电速度提高很多倍，但又能保持高容量，这就是磷酸铁锂（LiFePO4）。这种电池能承受很高的电流，安全性比锂钴电池好很多，价格也比锂钴电池便宜了不少，对环境也很友好，非常适合用于制造汽车电池。 就在今年3月初，美国麻省理工学院（MIT）的教授格布兰德?西德（Gerbrand Ceder）和他领导的小组在《自然》（Nature）杂志上宣布，他们发明了一种新材料，为锂离子提供了一条更便捷的通道，使其充电速度比过去提高了100倍。用这种新材料制成的铁锂电池只需20秒钟就可以完成充电，但这仅适用于小型家用电器专用电池。民用交流电网的输出功率限制了电池的充电速度，要想让汽车电池的充电速度赶上汽油，必须花一大笔钱用于改造加油站的供电设备才有可能做到。这个困难是物理学所决定的，谁也无法避免。 | 
发表于 2009-4-30 09:25:49
发表于 2009-5-1 22:07:54
发表于 2009-5-1 11:07:01
