能源改革之下,升级版新能源汽车才是真正的出路

陈曦教授

设想未来,电动汽车高度普及,每个人下班后给车充电的简单举动却会给电网带来灾难性的负荷。但由于现有电网架构无法轻易改变,解决此问题的突破口只有在电动汽车的全新设计和能源转换/使用效率的提升上。

能源改革之下,升级版新能源汽车才是真正的出路

随着十三五纲要出台,全面看好新能源车、储能与能源服务领域。可以预见在未来的五年中,能源车的发展与改革将推动整个市场迎来新的征程,带动相关标准与产业共同成长。其中新能源汽车(首推电池材料和车身设计理念革命)、大规模储能、能源互联网(首推能源服务)将迎来全面升级。

虽然当前政策层面给予新能源汽车行业大力支持,中国新能源汽车若想长远健康的可持续发展,绝不仅仅是将普通的化石燃料车的动力源换成电池那么简单。作为一个全新的新生事物,电动汽车亟需全新的“量身打造”的符合其自身特点的设计理念。目前电动汽车的能源利用率并不高,从本质上来说,电动汽车的电由消耗化石能源而来:如果从煤电厂获得电能,热效率为40%左右,而一般的汽油/柴油发动机的效率在20-30%左右,因此目前的电动汽车实为将热效率从20-30%提升到40%,并不显著,而更多的是把污染变相地从城市转移到了地方。虽然从长远看新能源汽车的效率还有很大的提升空间,但在目前能源架构下,总体的能源转化率已很难进一步提升。最近特斯拉汽车被新加坡政府处以巨额罚款,也是因为从整个生产链和生命周期来看,新能源汽车反而比传统汽车更消耗能源。如何借助多功能材料或多功能智能材料发展,使电动汽车的轻量化和智能化突破现有局限并达到一个新的高度,将成为未来的主要研发目标。

汽车的轻量化和安全性是两个永恒的主题,而电动汽车当前的最大瓶颈之一是续航里程。如果有效地同时解决以上问题。需要全新的设计理念。

当前的汽车,每一部分都是实现单一功能,例如电池只是动力源,车身只是起到承载和安全的作用。设想一种全新的多功能理念:如果载人工具能做到结构材料与储能材料的合一,车身的部分构件(如外壳和大梁)既能承受载荷,又是储能电池,就创造了一个全新的未来的新能源汽车概念:车身即安全电池,安全电池即车身。一台汽车全身都布满了电池:电池既可以供电,电池之间还可以相互沟通和优化;有的电池供给车联网,可以互相通讯;有的电池供娱乐系统;有的电池做动力电池。在发生碰撞事故时候,部分安全电池可以参与到吸收能量保护乘客当中来,而同时分布式电池的设计使得不会发生整车电控系统失灵的情况。这样的一个系统将成为高度集成智能化、多动能化的“电动汽车2.0”概念。我们预期,在安全电池的推动下,部分传统车身结构件可以被电池替代,而电池容量可以进一步增加;电池可以至少占据车身重量的60%以上,使续航里程达到800-1000公里,更好满足人们日常出行的需要,同时兼顾了汽车轻量化和安全性,还解决了电动汽车最大的瓶颈。

电动汽车的智能化很大程度上需要依靠电池材料的革命来实现。未来的安全电池新材料将能够在提供动力的同时保护车辆和乘客的安全。假如整个车身分布着电池,电像神经网一样遍布车身,车身的每个部位既可以提供能源,也可以感知并优化自身功能,像生物体一样能随时驱动起来,这就是进一步的“电动汽车3.0”概念。在行驶过程中,每个部件都可以通过分布式电池和集成智能传感器感应周围的情况并反馈给中央电脑及时处理,优化形态,甚至可以与其他的载人工具“交流”,成为高度智能化的载人工具,优化整个交通生态系统,这将是一个全新的由多功能材料革命驱动的的蓝图。只有当材料承载实现多功能性,做到一举多用,车辆的轻量化、安全化、智能化才能够融合。而这正是引领新能源汽车的未来革命。

作者系材料学、力学专家,美国哥伦比亚大学终身教授,中组部“千人计划”专家。

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陈曦教授 大牛作者

羲源创新科技创始人&首席科学家。美国哥伦比亚大学终身教授,国际上公认的力学界新一代领军人物之一,拥有多项世界领先的专利技术和研究成果,其开发的纳米材料相关技术在新材料的研究方面具有重大的里程碑意义。


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