【半瓶科技·Comments No.0】nanoFLOWCELL 液流电池 燃料电池 超级电容器 和 电动车

今天是8月18日,修订记录显示这篇文章已经写了半个多月了……我决定今天终结它!

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前几天很突然的看到了一篇名为《秒杀特斯拉 Quant e-Sportlimousine概念车将量产》的新闻,而其他相关报道在各大科技媒体上也能很容易得看到。

如今特斯拉被“秒杀”的各路“妖言”已经是时常得见,原因大概与iPhone刚刚发布的2007年里涌现出无数“iPhone杀手”是差不多的——宣称自己的产品能够秒杀新晋的产业革命者无疑可以博得相当多的关注。

但是这篇多少有些不同,也很引人注意——它提到了概念车使用的nanoFLOWCELL电池技术(除了2.8秒的百公里加速、600km的续航里程之外的点,我的关注点果然还是比较奇特)。这是什么东西?或许这次的报道不仅仅是博人眼球咯。

很令人郁闷的是报道中对电池技术本身没有做任何详细描述,除了600V的额定电压,50A的额定电流(这是个挺惊人的数据,虽然特斯拉的充电电流可以达到数百安,但那是数千电池组成的电池组同时充电的电流,与电池系统工作时的输出电流不可同日而语),以及30kw额定功率(电池的电功率,不是发动机功率)。

在电动汽车的发展中,我对特斯拉一直不是特别欣赏,原因就是它使用了“密度型”的18650锂电池作为储能装置(绝不是在说锂电池本身不好)。但是锂离子电池原理上的先天局限使得它不可能直接作为动力电源驱动电动机工作,无论是输出电压还是输出功率都很难满足动力电源的要求。而功率能够满足要求的“功率型”锂电池,比亚迪的磷酸铁锂电池应该属于此类,在能量密度上又必然有所妥协——直接的结果就是比亚迪的电动车电池又重又大,续航里程还不如特斯拉。

特斯拉的成功在于对成熟技术的有效整合(包括网上大家广泛提到的电池温度控制系统、电池组健康管理等),在于出色的工业设计,在于性能和价格方面的有效平衡,虽然值得肯定,但如果单就电池技术而言,它并没有带给业界多大的新意。

出于对新电池技术的关注(一直觉得电池技术的突破将填平消费电子、新能源交通等诸多领域的技术鸿沟,释放出巨大而革命性的进化动力),搜索并且整理了一些这种新型电池的信息。

先说结论:这是一种改良型的液流电池,它是一种过渡技术,长远来看在新能源汽车方面应用前景受限,但短期内有继续挖掘的价值。

在电力驱动方面,理想的动力电源应该同时满足“高能量密度”和“高输出功率”两项苛刻要求——高能量密度意味着相同重量的电池可以储存更多电能,或者在储存等量电能的情况下使用更轻的电池组;而高输出功率意味着电池可以允许电动机工作在更强的电流下,既电动机的功率也更高,车辆可以更快。

在此次的nanoFLOWCELL之前,普遍认为适合做动力电源的主要是燃料电池、超级电容器等技术。燃料电池其实已经完全不是一种“电池”,在使用电能这种“二次能源”,而是一种新的发电技术,开着燃料电池汽车,是需要加油加气加氢或者加别乙醇之类燃料的,而不是需要充电。燃料电池通过直接将化学能转化为电能输出,省却了化学能到热能,到机械能,再到电能的中间环节和损耗,能量效率相当不错。而超级电容器则是直接、纯物理方式储存电能的装置,由于没有化学反应发生,电荷被直接加载到机板上,充电几乎是“秒充”——上海世博会上到站、停车、充电、断电、走人的超级电容器公交车实在是令人印象深刻。

超级电容器的优势在于充放电迅速,劣势也在于充放电迅速,它的充放电曲线十分陡峭,完全没有化学电池的充放电“平台”,没有电压、电流都相对稳定的这样一个阶段。换句话说,它的放电近似于“失控”,能以多快的速度放走,就会以多快的速度放走。这也成了限制超级电容在很多需要稳定电压的应用领域,比如绝大多数消费电子产品里使用的瓶颈。

锂电池,以及所有严格意义上的“电池”,本质上都是将本已经释放出来的一次能源重新储存到电池的电极材料之中的过程,它们因此被称为二次能源。同时也因此失去了一部分能量效率(当然,输电部分的损耗如今越来越小,充电部分损耗也越来越可控,相比于小型内燃机的能量效率,使用电池依然是相对环境友好的),其环保性也因此受到一定质疑——电极材料的生产、储存、使用、报废的过程中,未必全程是环境友好的。

说nanoFLOWCELL是一种新型电池是对的,但它并不是全新的技术。液流电池已经出现已久,但是隔膜损耗、能量效率不高等问题限制了这种电池的应用。这种电池在结构上与燃料电池非常相像,也并不复杂。如果大家还记得带盐桥的原电池的话,可以想象液流电池就是将盐桥换成了一层薄膜,并将石墨一类惰性电极设置在上面。依然是原来的氧化还原反应,只不过氧化剂与还原剂分别缓缓流过隔膜两侧,就实现了电极反应的不断进行。

Flow cells are chemical batteries that combine aspects of an electrochemical accumulator cell with those of a fuel cell. Liquid electrolytes circulate through two separate cells in which a “cold burning” takes place, during which oxidation and reduction processes happen in parallel and thereby produce electrical power for the drive train.

早些时候MIT通过层流技术(两种液体相互接触但不混合,井水不犯河水得相对流动)去掉了液流电池的隔膜,获得了相当不错的实验室效果。但之后其实际应用的相关报道一直没有见到(猜测其原因或许是层流状态的维持需要比较稳定的环境,实际应用中情况复杂,转化成实际产品尚待时日)。

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MIT的液流电池结构示意图

nanoFLOWCELL的改进思路与MIT不同,他们选择了改进液流电池“液”的部分(如果可以简单的说MIT改进了“流”的部分的话)。根据外媒的相关报道,nanoFLOWCELL使用了新的、高浓度的电解液来实现高能量密度的电能存储。当然,氧化、还原两种电解液到底是什么(是否仍属于前期研究较多的钒电池),高浓度又有多高,使用过程中电解液浓度是否降低(不降低的话就需要设计废液的储汇结构了吧)等相关技术细节我们目前都无从了解。

不过官网也给出了一点信息——不使用重金属和稀土元素,这确实只是一点点信息,因为已有的全钒液流电池似乎也是如此。另外,年初的时候哈佛研发出了不含金属元素的有机—无机水性液流电池,突出的特点是大幅度降低了液流电池的存储容量成本,并保持了相当高的能量效率。不过从时间上来看,应该与nanoFLOWCELL关系不大。

至于隔膜问题,公司网站上给出的信息没法做出任何有效的推断,只能猜测通过纳米技术取得了不错的进展,避免了之前液流电池一直面临的隔膜损耗问题,或者将其损耗进行了有效控制吧。

接下来是nanoFLOWCELL的官方解释:

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nanoFLOWCELL结构示意图(1)
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nanoFLOWCELL结构示意图(2)

 

A TANK 电解液储箱

B nanoFLOWCELL® 液流电池

Four electric motor units make up the QUANT e-Sportlimousine’s propulsion system. Alongside the tanks (A), there is the nanoFLOWCELL® (B), which continuously sends electrical energy to the central storage unit.

nanoFLOWCELL即为电击反应发生的位置,此处产生的电能直接输出到中心储能单元

C SUPERCAP 超级电容

This energy storage unit is made up of two large high-performance “supercap” capacitors.
These capacitors are lossless electrical energy storage devices that can release energy very rapidly; an important criterion for a sports car’s driving performance.

能量储存单元由两个大型高效超级电容器构成,实现高效、快速的电能存储和释放,而这一点对于一辆跑车的驾驶性能而言尤为重要

D ANTRIEBSMOTOREN

Four identical, asynchronous three-phase drive motors (D) propel the QUANT e-Sportlimousine. They are designed to produce 680 kW (925 PS) each, though this peak is not achieved during driving. The overall performance of the powertrain is limited to a maximum of 480 kW (653 PS). In addition, there is a state-of-the-art central ECU (electronic control unit) responsible for controlling the driving- and charging-currents throughout the entire powertrain.

四台独立的三相异步电机构成车辆的动力系统,理论峰功率达680千瓦(925马力),实际功率被限制于480千瓦(653马力)

以及官方的电池性能对照表格:

Designation/
Unit
specific power
W/kg
specific energy
Wh/kg
Factor kW/kg
compared to lead
acid battery
Lead-acid 100 30 1
Li-Ion 300-4,000 120 4
Flow cell, Redox 10 120 4
nanoFLOWCELL® 6,000 600 20
Petrol, Diesel depends on engine 11,800 400

注:原文中specific energy 的单位为W/kg ,我改成了Wh/kg,如果是能量密度的话,单位怎么能跟功率密度一样呢……

值得注意的是,虽然表格上看起来电池的性能十分出众,俨然已经甩燃料电池n条街的样子,但在电池结构中我们应当注意到supercab——超级电容器的存在。正如前文所说,超级电容器的特点就在于提供强大的瞬时电压、电流,提供极高的输出功率,而nanoFLOWCELL通过引入超级电容的方式换取6000W/kg的功率密度,再将这一数据与普通的铅酸、锂离子、燃料电池相比较,有非常大的“作弊”嫌疑。毕竟,上述任何一种电池整合上超级电容蓄能,都可以换取短时间的高功率。

相较于目前研究较多的全钒(V)液流电池15~25Wh/kg的比能量密度,nanoFLOWCELL确实非常高。如果这个数据是真实可信的,那么他们的“高浓度”电解液确实非常有效得解决了液流电池在能量密度方面的短板,显示到实际应用中就是电动车的出色续航表现。

其他方面,官网表述中似乎他们的电动车选择了“换电池”而不是直接充电的方式。

Once the reserve is used up, both tank contents need to be replaced.

Furthermore, recharging them does not take hours and hours. All that is required to recharge them is to exchange spent electrolytes (which can be recharged outside the vehicle) for new, charged fluid.

虽然换下来的“电池”肯定是可以再充电的,但是不禁很好奇这200L的电池仓要怎么更换……

另外官网上有这么一段表述:

Until now, the laws of physics have closed the door on any efforts to create a simple storage method for electricity. Electricity cannot be stored, only converted to other forms of energy. 到目前为止,物理定律已经宣告了所有试图找到一种简便的方法来直接储存电能的努力的失败。点能不能直接储存而只能转换为其他形式的能量储存

这…… 难道他们装的超级电容器不是在直接储存电能么?我物理学的少你们不要骗我……

总的来说,nanoFLOWCELL比Tesla带来了更新的技术,算是电池技术的一次小革新,却远远达不到“突破”或者“革命”的高度。用在车辆上的动力电源,我依然希望能看到最终大规模商用的燃料电池,或者类似超级电容器这样原理上创新的新型电源的出现。nanoFLOWCELL的核心功绩让要记于技术整合与普及,更重要的,它除了用于电动车辆,其他官方希望的应用领域恐怕非常难以真正施展拳脚。

最后放几张官网上的图片,这车还是真心蛮漂亮的嘿。

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————相关文献————

美国哈佛大学研发出一种新型液流电池 全钒液流电池技术发展现状杨霖霖 一种能克服液流电池局限性的水溶液液流电池

http://pan.baidu.com/s/1jG2zR1s