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寻找二十一世纪的“新石油”

来源:科技日报
2010年01月05日09:54
  本报驻南非记者 李学华

  

  南非Optimal Energy公司推出的Joule电动6座MPV车型

  ????为应对全球气候变暖带来的恶劣影响,众多汽车制造商加快了大规模生产电动汽车的步伐,不排放温室气体、拔插充电式的电动车的研发呈燎原之势。例如,日本汽车制造商日产公司曾透露,其首批大规模生产的电动汽车将于今年在日本和美国上市。有人估计,到2020年,电动汽车将至少占据全球汽车销量的10%。

  电动汽车使用电池而不是化石燃料来供给动力,因此,电动汽车电池被称为二十一世纪的“新的石油”。一个国家如果拥有了生产该种电池的能力,不仅可以减少对原油和原油生产国的依赖,还将在一定程度上确保自己未来的能源安全。????

  各方携手,蓄势待发

  南非已经认识到电动汽车电池市场的重要性和广阔前景。一些政府部门、科研机构和企业正在携手推动南非电池产业的发展,其中包括:南非科学和工业研究会(CSIR)、工业发展公司(IDC)、贸易和工业部(DTI)、优化能源公司(该公司已经设计出南非本土的电动车)和其他商业实体。

  作为政府实体的IDC正在评估在南非发展电池制造产业的商业可行性。IDC公司认为,电池——或者任何能量存储介质——对未来极为重要。据IDC战略影响项目部高级项目经理理提夫·布吕韦尔介绍,早在2008年4月,IDC就针对未来可能被采用的替代和绿色交通机制开始进行商业调查。布吕韦尔说:“我们正在调查大尺寸锂离子电池技术,我们预期,这种电池的第一市场将是电动汽车;潜在的第二市场则是固定的能量储存设备。”

  布吕韦尔表示,目前IDC是该项目的推动者,不过,该项目的性质尚未确定。该公司正在与一些能够在该项目的研发中发挥重要作用的南非本地及国际机构签署各项合作协议。至于该项目所涉及的全部资金,IDC目前还不能给出确切的数字,这必须在项目的可行性评估完成后才能确定。

  布吕韦尔说:“研发重点仍然是改进电池技术,以使电池更便宜、更安全和更持久。但就像其他技术一样,电池研发技术最终必将进入市场,由消费者来判断它是否够好,从而促使我们进一步改进和优化。我们还深信,起步较早的公司可能赢得最多。”

  南非贸易和工业部长罗布·戴维斯先生证实,贸工部正在探讨如何使电动汽车电池生产本土化的途径。他说,南非标准局(SABS)迄今通过了两项电动汽车标准,而且正在研究国际标准组织发布的其他几个标准,并考虑将之纳为南非国家标准。他还补充说,贸工部和南非国家标准局还准备对电池测试设施标准进行扩充,以满足不同类型的电池——包括电动汽车电池的测试需求。

  锂离子电池脱颖而出

  锂离子电池首次提出是在20世纪70年代。锂离子电池虽然简单,但在目前所有已知的可充电系统中,它能提供的电力最大,从而在众多技术中脱颖而出。1991年,索尼公司推出了第一款商业化的锂离子电池,从而彻底改变了电池市场的面貌。现在,锂离子电池也广泛出现在汽车、医疗、国防和航空航天等领域。

  锂离子电池的三个主要功能部件是阳极、阴极和电解质。商业上最流行的阳极材料是石墨碳。阴极一般是下列三种材料之一:具有分层结构的锂金属氧化物;具有橄榄石型结构的磷酸锂;或者具有尖晶石型结构的锂锰氧化物。阳极、阴极和电解质所用的材料不同,锂离子电池的电压、容量、寿命和安全性会有显著不同。

  大家公认,锂离子电池使用的阴极材料的发明者是美国教授约翰·古迪纳夫,但这种材料上也凝聚了其他很多研究人员的心血,其中就包括南非科学和工业研究会(CSIR)的迈克尔·萨克雷博士。萨克雷博士在20世纪80年代的研究导致了具有尖晶石型结构的锂金属氧化物电极材料的发现,根据使用的金属不同,这种材料既可作为电池的阳极,又可作为电池的阴极。

  1992年,对锂电池的研究支持了10年之后`,CSIR决定停止对该技术的投资。1994年,萨克雷应邀到美国阿贡国家实验室创建和领导一个新型锂电池材料项目。CSIR的电池研究随后停止。

  萨克雷现在拥有35项专利。他强调,发展锂离子电池技术对保证无油的未来“非常重要”。以运输为例,锂离子电池极有可能在所有电动汽车和混合动力汽车市场“唱主角”。目前的混合动力电动车,如丰田的普瑞斯(Prius),均采用镍氢电池,而这种电池不太可能用于所有的电动汽车或插入式混合电动汽车,因为与锂电池相比,它提供的电力有限,充电一次无法支持汽车行驶一个可以接受的车程。因此,在运输领域,锂离子电池似乎拥有最美好的未来。

  再续前缘,抢抓机遇

  然而,随着电动汽车的出现,CSIR现在又重新恢复了锂离子电池的研发,并于2009年成立了电池研究中心(BRC)。该中心主任姆克胡卢·马泰博士说,在独立开展研究的同时,该中心还与萨克雷密切合作。“这有助于我们把握电池技术的发展趋势,掌握实现跨越式发展的技能”,他指出。

  马泰说:“目前,设备正源源不断地到来。我们正在制定研究计划,并与工业界和大学建立战略伙伴关系。”BRC的最终目的是要在锂离子电池的应用方面成为企业和高等教育机构的研究和合作伙伴。

  那么,与世界上其他电池技术研发机构相比,BRC有什么特别之处?换句话说,南非的电池研发将依靠什么取得成功?

  马泰说,电池行业竞争激烈,没有人会真正揭秘自己的研究。不过,南非的电池研究将集中在电解质领域,以改善电池的寿命和容量。同时还重点考虑如何使电池更容易回收。马泰介绍说:“我们也在考虑在阳极化学领域使用纳米材料,这些将使我们的研究与众不同。”

  同时,南非拥有电池生产所需的众多原材料。马泰解释说,生产锂离子电池需要磷、钴、镍、锰,这些南非都有。虽然该国并没有大规模的锂矿床,但根据南非地质科学研究会的调查,非洲国家如津巴布韦、纳米比亚、尼日尔、加纳、科特迪瓦、塞内加尔和马里等都有锂矿资源。

  马泰同意布吕韦尔关于“先开发者收益大”的判断。他认为,电动汽车将在2010年开始大量推出,所以有3年至5年的缓冲时间来进入汽车电池市场,这就是为什么CSIR要赶在2010年2月生产出第一个小型(50分硬币大小)锂离子电池的原因。

  马泰计划在2011年中期推出电动汽车锂离子电池原型,“那将是一个准备就绪的电池,像优化能源这样的公司可以在他们的车上测试电池性能。”

  马泰说,同标准内燃机的汽车相比,电动汽车仍然是昂贵的。其中电池大约占了电动汽车成本的25%。但是,如果在本地生产,可以将其削减到约15%。除了保证能源安全,在南非生产锂离子电池也将使电动汽车的价格更有竞争力,从而逐渐为本地客户所接受。

  电池产业本土化成关键

  位于开普敦的优化能源公司计划在2010年开始试生产自己研发的电动汽车——“焦耳(JOULE)”,并在2012年开始大量生产,初始为500辆,2015年扩大到60万辆,其中一部分瞄准出口市场。

  “焦耳”是锂电池驱动的5座轿车,最高速度预计可达每小时135千米,充电一次可行驶300千米。

  优化能源公司技术总监格哈德·斯沃特认为进口臃肿笨重的电池毫无道理。他说:“从亚洲开往南非的船舶上装满了电池,我们把大量金钱花在这上面没有任何意义。”

  斯沃特说:“建立一个本土电池产业拥有很多优势,要满足"焦耳"汽车每年1.8亿度的电力需求,本土制造的电池是必要而又关键的。”他说,大尺寸的锂离子电池(相对于小尺寸,例如笔记本电脑电池)目前还没有成为一种商品,在世界任何地方都还没有真正大规模生产。因此目前是一个机会,来建立新的电池生产工厂并不断提高效率,南非工程师善于做这样的事情。

  斯沃特最后指出,优化能源公司对汽车电池有一些简单而又必须的要求,在南非生产的任何电池要获得商业上的成功,都必须满足这些要求。

  “这些电池需要满足电动车辆对安全、性能、成本和寿命的严格要求。"焦耳"汽车的电池成本需要低于250美元/千瓦时,能量密度要大于130瓦时/千克,至少有7年的工作寿命。”

  “如果南非制造的电池可以持续达到这个目标,它们将畅销世界各地。”

  (本报比勒陀利亚1月3日电)??
责任编辑:罗园
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