100多歲的鉛酸電池

古老卻依然在搭載最新的電動(dòng)汽車

雖然特斯拉的馬斯克無數(shù)次想換掉它

有無替代方案與非網(wǎng)獨(dú)家解讀

電動(dòng)自行車屬于低速車，乃中國(guó)首創(chuàng)，其保有量已接近3億輛，年產(chǎn)值超過千億元，創(chuàng)下"世界第一"。雖然以鋰電電動(dòng)自行車為代表的鳳凰高端產(chǎn)品最近開始走俏歐洲，但這種低速電動(dòng)車絕大多數(shù)還都用鉛酸電池。為什么不用重量更輕、體積更小的鋰電池呢？

特斯拉當(dāng)然不是低速電動(dòng)車，除了安裝在前后軸之間底盤位置重達(dá)900公斤的"壓艙石"動(dòng)力電池組，還有一塊人們幾乎看不到的12V鉛酸蓄電池。其實(shí)，混合動(dòng)力或插電混合動(dòng)力車也仍然在用燃油車相同的鉛酸蓄電池供電，不管是什么車，如果長(zhǎng)久放置蓄電池嚴(yán)重虧電，車輛依然打不著火。

看來這古老的鉛酸電池還是不可或缺！其實(shí)，馬斯克早就想替掉它……今天就聊聊為什么一百多年歷史的鉛酸電池還在搭載新一代電動(dòng)汽車？有沒有一種有效的替代方案？

純電動(dòng)汽車為什么還要鉛酸電池？

1860年，法國(guó)人普蘭特（G.Plante）發(fā)明了鉛酸蓄電池。直到13年后直流發(fā)電機(jī)問世，鉛酸蓄電池才逐步走向?qū)嵱没?910年起，汽車蓄電池開始用于啟動(dòng)、照明、點(diǎn)火，使鉛酸蓄電池生產(chǎn)得以發(fā)展；電話業(yè)也開始采用鉛酸蓄電池作為安全、可靠并能使用多年的備用電源。直到今天，鉛酸蓄電池都廣泛用于汽車、摩托車、鐵道、礦山、通信等領(lǐng)域。

鉛酸電池沒有被鋰電池替代的原因在于：鋰電池制造復(fù)雜，成本是鉛酸電池的兩三倍，出廠價(jià)格更貴；鉛酸電池技術(shù)更加成熟，穩(wěn)定性更好。

那為什么根本不差錢的特斯拉也在使用鉛酸蓄電池呢？以ModelX為例，看看這個(gè)與傳統(tǒng)燃油車一樣的12V鉛酸電池。

用戶手冊(cè)所見，ModelX也會(huì)出現(xiàn)蓄電池故障無法啟動(dòng)的情況。這不一定是鋰電池組的問題，而只是蓄電池沒電了。

ModelX和燃油車的電池故障標(biāo)識(shí)

死循環(huán)

蓄電池沒電無法打開門/機(jī)艙蓋/充電蓋無法搭電無法啟動(dòng)車輛；使用APP/鑰匙也是這樣，無法進(jìn)入車內(nèi)……就沒有一個(gè)物理解鎖方法，讓車主進(jìn)入車內(nèi)？在網(wǎng)上搜索"特斯拉沒電怎么開門？"好奇怪！所有網(wǎng)頁(yè)都一樣--404！

"特斯拉沒電怎么開門？"無解

不過，還是找到了一篇文章，介紹了一種用于救援的方法：將牽引鉤孔里兩根線拉一下，機(jī)艙蓋就會(huì)打開（盜竊風(fēng)險(xiǎn)），車也會(huì)響起警報(bào)。打開后給蓄電池充點(diǎn)電或搭電，門就能打開了。至于老款車型，老司機(jī)說，要打開整個(gè)黑色中網(wǎng)，才能看見能打開前備箱的"機(jī)關(guān)"。

看來，要想通過搭電方法啟動(dòng)ModelX還真不太容易。這里，假設(shè)可以打開機(jī)艙蓋，之后看到的是儲(chǔ)物用的前備箱（其他純電動(dòng)車都沒有，褒貶不一），拆卸其上面的蓋板，才能看到位于制動(dòng)液補(bǔ)液口下方的蓄電池及正負(fù)極接線柱。看上去，在ModelX中，蓄電池的作用和燃油車別無二致。

ModelX蓄電池就在前備箱蓋板下

有點(diǎn)扯遠(yuǎn)了，言歸正傳。

鉛酸電池是弱電電池，正常情況下是由鋰電池充電的，主要是在發(fā)動(dòng)機(jī)（燃油車）或動(dòng)力電池沒有供電之前，為車載電子設(shè)備的正常使用提供電力，例如遙控鑰匙識(shí)別、車輛解鎖及儀表大屏顯示等，和普通燃油車電池供電原理一樣。正常情況下，動(dòng)力電池和12V蓄電池相連，如果蓄電池虧電，動(dòng)力電池可以為它充電。

也就是說，高壓動(dòng)力電池一定要有一個(gè)低壓電源來配合。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，當(dāng)你開著收音機(jī)發(fā)動(dòng)汽車時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬間，收音機(jī)都會(huì)斷一下，燈光也是這樣。說明什么？自己琢磨一下。

那為什么這個(gè)小電源一定是12V鉛酸電池，而不是12V鋰電池呢？除了上面說的便宜，還有以下原因：

低溫功率輸出特性：在零下20℃也可順利啟動(dòng)，可靠性高；

供應(yīng)鏈成本低：12V鉛酸電池技術(shù)成熟，供應(yīng)商多；

維修更換方便：不需要專供的產(chǎn)品。

其缺點(diǎn)是形狀體積和重量比鋰電池大，不過一輛車只需要一塊蓄電池，并不像動(dòng)力鋰電池那么多。

超越鋰電池另辟蹊徑

為了提高燃油效率，減少對(duì)石油的依賴，汽車行業(yè)面臨著越來越大的壓力，電氣化是一個(gè)必然趨勢(shì)。其前提是解決方案必須能夠滿足對(duì)高性能、可靠性和安全性的嚴(yán)格要求。

有一種技術(shù)既可以提供高功率密度、安全性和使用壽命，又可以像鉛酸電池那樣穩(wěn)定可靠。它就是超級(jí)電容器（又名雙電層電容器），它已為今天的混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車的發(fā)展做好了準(zhǔn)備。超級(jí)電容器可以與電池并聯(lián)，利用能量密度和功率密度的優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)建一個(gè)更高效、更穩(wěn)健的完整電氣系統(tǒng)。

先來看超級(jí)電容器不如鋰電池的地方：鋰電池和超級(jí)電容器好比馬拉松選手和短跑運(yùn)動(dòng)員，在長(zhǎng)距離行駛時(shí)前者可以提供較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的放電；后者則沒有那么大耐力，只能在短時(shí)間釋放大量能量。

作為備用電源，超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)是：安全可靠，無煙、無火焰，終身免維護(hù)，而且無需過大尺寸，不必為了像蓄電池那樣留有更換空間。

超級(jí)電容器替代的應(yīng)用場(chǎng)景

超級(jí)電容器能不能替代傳統(tǒng)鉛酸蓄電池呢？以下一些應(yīng)用場(chǎng)景很能說明問題。

12V啟停應(yīng)用

蓄電池退化可造成發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)不順暢；較高ESR（等效串聯(lián)電阻）會(huì)降低蓄電池壽命；頻繁的啟-停循環(huán)會(huì)降低電池性能；低溫也會(huì)限制其功能。

在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，需要提供瞬間大電流，我們把超級(jí)電容器安裝在蓄電池和起動(dòng)機(jī)之間，這意味著蓄電池與起動(dòng)機(jī)斷開。作為發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)模塊的超級(jí)電容器始終為發(fā)動(dòng)機(jī)提供啟動(dòng)動(dòng)力，而電池只需為燈光、空調(diào)、暖風(fēng)等提供能量。超級(jí)電容器具有最低ESR和業(yè)界最高的功率密度，可確保更長(zhǎng)的使用壽命，適合快速起動(dòng)，具有-40至+65℃的全功率性能，更適合這種"一錘子"場(chǎng)景。

啟停應(yīng)用

鉛酸電池的質(zhì)量能量為32-37Wh/kg,美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為41Wh/kg；而目前已接近量產(chǎn)的第三代超級(jí)電容器已大于60Wh/kg，適用于燃油車和xEV平臺(tái)使用。

EPS和電子制動(dòng)（EBS）

鎳氫、鋰離子電池在"正常狀態(tài)"下沒有可用于可靠表征的操作信號(hào)，因此難以確定SOH（健康狀況）和SOF（功能狀態(tài)）。而超級(jí)電容器適合作為輔助能源使用。

再生制動(dòng)能量吸收

快速放電并不是超級(jí)電容器帶來的唯一優(yōu)勢(shì)，它也可以更快地（15秒內(nèi)）充電，是可靠性最高的技術(shù)。

目前的解決方案采用液壓或電池吸收再生能量，因?yàn)槭橇阈亲鳂I(yè)，平均電力需求大于峰值1kW和大于300W，且需要快速充放電循環(huán)，容易出現(xiàn)再生能量無法吸收，造成瞬變的情況。超級(jí)電容器的低電阻可以確保操作過程中的低自加熱，提高可靠性。

電催化劑加熱

目前的解決方案是利用三元催化轉(zhuǎn)化器燃燒燃料的辦法來加熱廢氣，30秒平均需要3kW功率，每KL15（發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火信號(hào)）循環(huán)激活一次，在涼車情況下，電池?zé)o法滿足性能要求。超級(jí)電容器具有優(yōu)良的低溫功率性能，非常適合這種場(chǎng)景。

制動(dòng)能量再生

鉛酸蓄電池（EFB或AGM型，材料不同）的快速充放電循環(huán)需要大于3kW峰值和大于200W平均功率。因?yàn)榘惭b在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，電池壽命一般情況下不超過兩年；在較低溫度下，電池充電接受能力差，且尺寸過大。超級(jí)電容器在較低溫度下具有優(yōu)異的功率性能和充電接受能力，不受充電吞吐量影響，免維護(hù)，更適合這一場(chǎng)景。

超級(jí)電容創(chuàng)新加速電動(dòng)汽車革命

超級(jí)電容器制造

電動(dòng)汽車需要有儲(chǔ)存電能的裝置，電池和超級(jí)電容器都有此功能。電池充電相對(duì)緩慢，放電也緩慢。超級(jí)電容器充電快，放電也快。電池能夠儲(chǔ)存大量能量，超級(jí)電容器是少量?jī)?chǔ)能的最佳選擇。歸根結(jié)底，電池在某些方面比超級(jí)電容器做得更好，而超級(jí)電容器在某些方面優(yōu)于電池。

超級(jí)電容器與電池比較

未來幾年，超級(jí)電容器可能會(huì)取代目前所有電動(dòng)汽車使用的鉛酸電池，用于儲(chǔ)存日常功能（操作門鎖、提供內(nèi)部照明等）所需的電力。他們還有助于電動(dòng)汽車OEM用來做最擅長(zhǎng)的事情--快速充放電，同時(shí)讓主動(dòng)力電池（鋰電池）做它最擅長(zhǎng)的事情--讓汽車在路上行駛得更遠(yuǎn)。

彭博新能源財(cái)經(jīng)、儲(chǔ)能分析師JamesFrith表示："多年來，人們對(duì)超級(jí)電容器產(chǎn)生了很大興趣，問題是鋰電池的價(jià)格下降得很快，不過，汽車市場(chǎng)肯定有很多領(lǐng)域可以找到后者的應(yīng)用。"

他暗示，馬斯克也鐘愛超級(jí)電容器，特斯拉自主研發(fā)的新電池將是干電池技術(shù)+超級(jí)電容組合，如果在其產(chǎn)品中采用，那么超級(jí)電容器肯定會(huì)成為未來電動(dòng)運(yùn)輸領(lǐng)域的一部分，在這一領(lǐng)域，幾乎每天都有改進(jìn)。

據(jù)報(bào)道，SkeletonTechnologies一直在努力研發(fā)能夠取代傳統(tǒng)汽車鉛酸電池的先進(jìn)超級(jí)電容器。首席執(zhí)行官TaaviMadiberk承認(rèn)，超級(jí)電容器還沒有鋰電池那樣的能量密度，但他認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)一直在進(jìn)步。目前，其產(chǎn)品能量密度已達(dá)每升60Wh/L。他說："我們已經(jīng)在與幾家汽車OEM進(jìn)行討論，他們都希望擺脫汽車中笨重的鉛酸電池。"

"有時(shí)人們認(rèn)為鉛是一個(gè)過去的問題，因?yàn)樗c內(nèi)燃機(jī)有關(guān)，但實(shí)際上所有電動(dòng)汽車都有12V鉛酸電池，"他說。"我們正在研究一種可行的替代方案來取代所有的鉛酸電池。"

據(jù)介紹，1999年，鋰電池每千瓦時(shí)的價(jià)格約為5000美元，如今已不到200美元；而特斯拉現(xiàn)在的電池價(jià)格可能在100美元以下。超級(jí)電容器的成本也將經(jīng)歷類似的快速下降。

據(jù)TechExplorist報(bào)道，倫敦大學(xué)學(xué)院和中國(guó)科學(xué)院的科學(xué)家已開發(fā)出一種新型柔性石墨烯超級(jí)電容器，可以安全地高速充電，積累創(chuàng)紀(jì)錄的能量，并能長(zhǎng)期儲(chǔ)存。

新型柔性石墨烯超級(jí)電容材料

新的超級(jí)電容器使用了一種創(chuàng)新的多層石墨烯電極，可以彎曲180度而不失去性能，且不需要液體電解質(zhì)，從而將爆炸風(fēng)險(xiǎn)降至最低。研究小組開發(fā)的原型電池能量密度為每升88.1Wh/L。此外，科學(xué)家們聲稱，他們的發(fā)明功率密度為每升10000W，在5000次充放電循環(huán)后仍能保持98.7%的容量。

寫在最后

汽車是一個(gè)惡劣環(huán)境，包括極寬溫度范圍、機(jī)械振動(dòng)、噪聲、氣體污染，以及瞬變電壓、大電流等的潛在風(fēng)險(xiǎn)。而這些正是影響現(xiàn)代汽車功能穩(wěn)定性、可靠性和駕駛體驗(yàn)的重要因素。據(jù)說，歐洲航天局（ESA）已在惡劣的太空環(huán)境中進(jìn)行了超級(jí)電容器測(cè)試，相信它比汽車的環(huán)境更加嚴(yán)苛。

再看看超級(jí)電容器對(duì)汽車意味著什么？可靠起動(dòng)、降低油耗（或主電池功耗）、延長(zhǎng)電池壽命、無障礙一次性投資、體積小、重量輕、易于安裝。而這些似乎已經(jīng)足夠了！