量電池之力發(fā)展電動汽車

　　早年間，楊裕生院士曾在茫茫戈壁為我國核試驗奉獻(xiàn)長達(dá)27年之久，取得了一系列令人矚目的成就?；氐奖本┖?，1998年楊院士謀劃建立了“軍用化學(xué)電源研究發(fā)展中心”并任中心主任。他指導(dǎo)年青人承擔(dān)了國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(863)、科技部電動汽車專項、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(973)、國家自然科學(xué)基金、國防科技預(yù)研基金、軍用“973”以及總裝十五預(yù)研等幾十項研究課題，有力地推動了我國儲能事業(yè)的發(fā)展。近日，筆者專訪了這位在核技術(shù)和儲能技術(shù)領(lǐng)域均做出過突出貢獻(xiàn)的學(xué)界泰斗，請他就鉛酸電池目前的發(fā)展?fàn)顩r、電動汽車的發(fā)展以及儲能技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展前景闡述其觀點。

　　筆者：楊院士您好，早年您對我國核試驗技術(shù)的發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)，回到北京后，是在什么樣的機(jī)遇下或者您基于怎樣的想法，開始投入到高能量密度二次電池以及超級電容器等的研究開發(fā)?

　　楊院士：1963年初，我被調(diào)到原國防科工委，加入了組建中的核試驗基地研究所，負(fù)責(zé)籌備蘑菇云取樣和放化分析，在新疆27年。1990年，我58歲的時候，組織上把我調(diào)回北京，在防化研究院第一研究所(以下簡稱防化研究所)任研究員。1995年，我當(dāng)選中國工程院院士，深感自己的責(zé)任更加重大。由于國防事業(yè)發(fā)展的需要，1996年我和二室陳煥祺主任共同發(fā)起中國士兵綜合防護(hù)系統(tǒng)，我們走訪、聯(lián)合軍內(nèi)多個單位，促成了研制立項。士兵綜合防護(hù)系統(tǒng)是以提高士兵作戰(zhàn)能力和生存能力為目的、并與高新技術(shù)裝備集成為一體的裝備，包括防彈、防毒等服裝，這樣就影響士兵身體的透氣和散熱，需要再裝一個微空氣調(diào)節(jié)器。微空氣調(diào)節(jié)器耗能高，對電源系統(tǒng)提出了更高的要求。1997年，經(jīng)過論證，電池的能量密度不能低于300W?h/kg，這是當(dāng)時美、日等國計劃2010年要達(dá)到的指標(biāo)，遍訪我國的電池研制單位沒有一家愿意承擔(dān)這個項目。我想，我們防化研究院是全軍唯一與化學(xué)電源的“化”字沾邊的單位，我們防化研究院義不容辭的接受了這個任務(wù)。后來，上級批準(zhǔn)了我的請纓，而我當(dāng)時是“門外漢”兼“光桿司令”。經(jīng)過一段時間的調(diào)研和論證后，我認(rèn)為鋰-硫電池是唯一有希望達(dá)到要求的電池，所以選定了這條路線。

　　1998年初，防化研究所的高乃金政委親自出馬去天津大學(xué)動員了曹高萍博士，又在中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所以“院士助手”的名義招來苑克國碩士，這樣由我們?nèi)私M成的研究小組就在1998年夏天成立了，開始研究鋰-硫電池。歸根結(jié)底，我們是“逼上梁山”。

　　筆者：我國鋰-硫電池研究現(xiàn)狀如何，與國外相比還要在哪些方面進(jìn)一步加強(qiáng)?

　　楊院士：現(xiàn)在我們的鋰-硫電池技術(shù)應(yīng)該說做到了國內(nèi)的較高水平，最近單體3A?h的電池比能量已經(jīng)達(dá)到370W?h/kg。國內(nèi)外不少人認(rèn)為鋰-硫電池比能量可達(dá)500W?h/kg，是電動汽車的下一代動力電池，所以已形成了研究熱潮。國內(nèi)現(xiàn)在研究鋰-硫電池的單位很多，研究所有中國科學(xué)院的化學(xué)所、物理所、大連化物所、沈陽金屬所、上海硅酸鹽所，天津18所、上海811所等;學(xué)校有國防科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、武漢大學(xué)、北京理工大學(xué)、南開大學(xué)、廈門大學(xué)等，有的大學(xué)甚至有3、4個鋰-硫電池課題組，還有些企業(yè)也在積極地參與，研究隊伍日益壯大。但是鋰-硫電池要實際應(yīng)用到電動汽車中還有相當(dāng)?shù)木嚯x，電池的指標(biāo)不單單看比能量，使用壽命和安全性也是十分重要的因素。

　　筆者：您在多種場合提到鉛酸電池的重要性，鉛酸電池作為發(fā)展較早、技術(shù)較為成熟的化學(xué)電源，與其它化學(xué)儲能器件相比有什么優(yōu)點和缺點?

　　楊院士：在我國，鉛酸電池現(xiàn)在屬于“限制發(fā)展”產(chǎn)品，原因是有人說它污染嚴(yán)重，認(rèn)為鉛酸電池過于古老、技術(shù)落后，其實這些說法都不對。燃料電池發(fā)明比鉛酸電池早20年，不是更古老嗎?為什么大力支持?國外鉛酸電池的新技術(shù)發(fā)展很快，美、歐政府的支持力度都很大，而在我國由于近年來政府對鉛酸電池研究投入不夠，技術(shù)自然而然的也就落后了。這樣一個價廉、安全、電性能好的產(chǎn)品，應(yīng)該發(fā)揮它應(yīng)有的作用。

　　中國的鉛酸電池要振興，一定要解決兩方面的問題。一方面是鉛酸電池生產(chǎn)全過程的環(huán)保問題，尤其是廢電池回收過程中的污染問題一定要解決，現(xiàn)在國家已經(jīng)核準(zhǔn)了10家有回收資質(zhì)的公司，后續(xù)還會有3家。同時要大力推廣回收率高、更加環(huán)保的濕法回收技術(shù)。另一方面就是要突破電池新技術(shù)，提高性能，讓它古老但不落后。我所以倡導(dǎo)舉行鉛酸電池新技術(shù)研討會，兩年一屆，主要為了交流新技術(shù)，推動鉛酸電池發(fā)展。

　　筆者：鉛酸電池近期有何技術(shù)上的進(jìn)步?要想得到更廣泛的實際應(yīng)用，哪些問題亟待解決?

　　楊院士：要說鉛酸電池的新技術(shù)，鉛炭電池是一大進(jìn)步。鉛炭電池就是在鉛酸電池的負(fù)極中加入高比表面積的活性炭，電池使用壽命可以延長幾倍，放電功率也顯著提高，我覺得這個技術(shù)應(yīng)該在中國大力推廣。我們課題組從1999年開始研究超級電容器，超級電容器中用到高比表面積的活性炭，又叫超級活性炭，我們在制備這種材料方面有一定的基礎(chǔ)。鉛炭電池和超級電容器所需兩種炭的指標(biāo)不同，但高比表面積這一點是相同的。把超級活性炭加入到鉛酸電池中，我們和杭州南都電源公司合作，我們負(fù)責(zé)研制活性炭，他們負(fù)責(zé)把活性炭加到鉛酸電池中，合作十分成功。一年多來，我們靠實驗室的設(shè)備，用手工的制備方式已經(jīng)提供了1噸活性炭，南都生產(chǎn)了約200噸鉛炭電池。由鉛炭電池構(gòu)成的“風(fēng)-光-儲”裝置，已在浙江、新疆建成十幾個儲能電站。雖然鉛炭電池的比能量沒有提高，但是它的循環(huán)壽命延長、功率提高、安全性高，在儲能電站示范運行中表現(xiàn)良好。鉛炭電池在天津港集裝箱起吊機(jī)中應(yīng)用，將集裝箱下降時的制動能量回收存儲起來;在集裝箱起吊時，再將儲存的能量提供出去，達(dá)到提供尖峰功率和節(jié)能的目的，節(jié)電率高達(dá)40%～50%，并且減輕了對電網(wǎng)供電質(zhì)量的沖擊。在所有的升降電梯中也可使用這種節(jié)能技術(shù)。

　　最近它還有一個新的大用途：國家正在提倡燃油汽車加裝啟停功能，鉛炭電池比功率高，短時間的淺充淺放壽命長達(dá)18萬次，是最理想的電源。加裝了啟停功能的汽車又稱微混電動車，對城市的減排和治理霧霾有很大的作用。我國每年汽車產(chǎn)量達(dá)2000多萬輛，如果大規(guī)模推廣使用此技術(shù)，將會是一個很大的市場，僅這一項就需用特種超級活性炭5000噸，產(chǎn)值至少20億元。據(jù)說，政府打算為每臺安裝啟停功能的汽車補(bǔ)助3000元，這筆錢似乎多了一些。

　　鉛炭電池技術(shù)要想得到更廣泛的應(yīng)用，亟待解決的問題是特種超級活性炭的工程化研究與開發(fā)，這是一個典型的“863”課題。但是申請“863”經(jīng)費，項目必須先列入指南，而與鉛酸電池掛鉤的項目，從來沒有進(jìn)入過“863”指南。再有，即使可以申請，例如1000萬，要你自籌配套經(jīng)費至少1000萬，這對軍隊研究所而言，根本無從談起!

　　筆者：近年來，關(guān)于電動汽車的研究如火如荼，但并沒有得到大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化，您認(rèn)為原因何在?

　　楊院士：政府曾制定到2015年新能源汽車要達(dá)到50萬輛的計劃，現(xiàn)在各種新能源汽車加起來還不到10萬輛，時間只剩下一年多了!我覺得新能源汽車推廣遲緩有以下幾個方面的原因：一是沒有把新能源汽車發(fā)展的責(zé)任加到汽車企業(yè)身上，著急的

　　是政府部門，汽車企業(yè)不著急，它們不但不著急，而且在看哪種車補(bǔ)貼高就做哪種車，而不是主動考慮發(fā)展適合市場需求的車;二是中國汽車的企業(yè)沒有集中精力做出自己的一種拳頭產(chǎn)品，沒有核心技術(shù)，而是幾乎每家企業(yè)都在做微混、輕混、中混、全混、插電式、純電動、增程式，做出來的一、兩臺樣品只能放在展臺上做展示，不能產(chǎn)業(yè)化。而日本豐田只開發(fā)了一種深度混合電動汽車，只做兩種車型，總銷量就能做到600萬輛的規(guī)模，主要依靠它的核心專利技術(shù)——“行星齒輪”技術(shù)，就能把節(jié)油率提高40%;三是現(xiàn)在國家對汽車企業(yè)的補(bǔ)貼過高，補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)成了汽車發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)，導(dǎo)致車企缺乏社會責(zé)任感，不考慮車的市場化、產(chǎn)業(yè)化，只關(guān)心補(bǔ)貼的多少，而且高定價，由政府買單。

　　因此，政府要把發(fā)展電動汽車的指標(biāo)落實到車企，每年要求汽車總產(chǎn)量中必須有一定比例的電動汽車，而且逐年提高此比例;超額完成任務(wù)目標(biāo)的企業(yè)給予獎勵，未完成的企業(yè)要受到相應(yīng)的懲罰，用懲罰的錢獎勵超額完成的企業(yè)，這樣把責(zé)任交給企業(yè)，讓市場來實現(xiàn)調(diào)節(jié)。我相信，這種“補(bǔ)改獎”的機(jī)制還能使電動汽車價格高、續(xù)航里程短、充電設(shè)備不完善等問題迎刃而解。

　　筆者：您在很多場合都提出發(fā)展微小型電動汽車的建議，請您談?wù)勎⑿⌒碗妱悠嚺c普通純電動汽車以及混合動力汽車相比，有什么優(yōu)點和缺點?

　　楊院士：現(xiàn)在以中國的電池技術(shù)還不足以發(fā)展續(xù)航里程較長、速度較快的電動汽車，美國的特斯拉是不該復(fù)制的模式，它每公里耗電17度，不但不節(jié)能，而且浪費能源，一輛車的耗電量相當(dāng)于3輛微型電動汽車;它的電池用量很大，所以價格降不下來，只有富人買。比亞迪的E6純電動車也如此。輕度、中度混合電動車的節(jié)油率只有10%～20%，而重度混合電動車的專利被豐田壟斷。

　　與上述純電動汽車以及混合動力汽車相比，微小型電動汽車的優(yōu)點很多：①電池少、價廉、易推銷，是電動自行車、摩托車用戶的升級換代產(chǎn)品，滿足廣大城鎮(zhèn)的市場需求;②技術(shù)積累較好，2013年全國已產(chǎn)20萬輛，無需國家投資可以很快建成幾個年產(chǎn)20萬輛的廠;③用220V民用電，可作為晚間用電的“家用電器”，甚至無需專門設(shè)置充電樁;④每夜的11億多度低谷電，可供億輛小型電動汽車充電，國家還省掉建設(shè)調(diào)峰電站的大筆投資;⑤節(jié)能(6～7kW?h/100km)，減輕城鎮(zhèn)空氣污染;⑥節(jié)材，使用、維修方便，可以持續(xù)發(fā)展;⑦可充分發(fā)揮鉛酸(炭)電池安全、廉價優(yōu)勢;⑧有利于緩解城市堵車、停車難題。

　　吉林大學(xué)的郭孔輝院士曾做過計算，用現(xiàn)在鋰離子電池的比能量做汽車，合理的里程設(shè)計在150km左右，這對于大部分上班族使用完全可以了。若要更長距離的行駛，增程式更合適，電池用量相當(dāng)于純電動的一半左右，每百公里耗油量不到2.5L，現(xiàn)在已經(jīng)有廠家在試產(chǎn)，但還沒上線，有待國家政策的引導(dǎo)。

　　筆者：今年中央電視臺3?15晚會曝光了某些企業(yè)在沒有整車生產(chǎn)資質(zhì)的情況下，非法生產(chǎn)銷售低速電動汽車(以鉛酸蓄電池為動力的電動車)而導(dǎo)致多起事故的情況，對此業(yè)內(nèi)外人士各執(zhí)己見。作為我國電池領(lǐng)域的權(quán)威專家，您有怎樣的看法?

　　楊院士：我覺得微型電動車不僅不是個過渡品種，還有可能是個長生不老的產(chǎn)品。將來，人們的思想境界高了，節(jié)能環(huán)保的意識強(qiáng)了，會逐漸舍去豪華的大車而購買微小型電動汽車。上面已列舉了它的優(yōu)點，山東、江蘇、河北有些企業(yè)做得相當(dāng)不錯，不但有規(guī)模，而且質(zhì)量很好，所以很有市場。

　　中央電視臺3?15晚會曝光生產(chǎn)質(zhì)量問題，十分必要。但是，有的媒體對問題的實質(zhì)不做具體分析，甚至加以引伸、夸大，這就偏離了3?15晚會的本意而產(chǎn)生副作用了。

　　現(xiàn)在有一些錯誤觀念：一是認(rèn)為這種微型電動汽車技術(shù)含量低，與我們泱泱大國的形象不相稱。其實車大小跟技術(shù)水平毫不相干，俗話說“麻雀雖小，五臟俱全”，歐、美、日等發(fā)達(dá)國家與地區(qū)都制定了微型低速電動車的法規(guī)，符合其法規(guī)的中國產(chǎn)微型低速電動車在歐、美銷得很好，而且利潤不低;二是認(rèn)為此車所用的鉛酸電池是有污染的，實際上鉛酸電池本身是沒有污染的，現(xiàn)在每一輛燃油汽車都有一塊鉛酸電池，乘車人不但沒有受到污染，而且離開了鉛酸電池燃油汽車就開不動，為什么鉛酸電池到了微型低速電動車這兒就變成污染的了?中國鉛酸電池產(chǎn)量和美國相當(dāng)，但是在美國鉛酸電池已不屬于污染行業(yè)了，而為什么中國做不到那么好?關(guān)鍵在政府部門的政策完善，并加大對涉鉛企業(yè)的監(jiān)管力度;三是籠統(tǒng)地說這種微型電動汽車產(chǎn)品不合格，產(chǎn)品是否合格首先要有一個法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在政府相關(guān)部門并沒有制定微型低速電動車的相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，那這種車何來的不合格之說呢?粗制濫造的車肯定有，應(yīng)該照法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)加以測評和處理，更不能因為一些小企業(yè)的不負(fù)責(zé)任而把這個行業(yè)整個地一棒子打翻;四是說這種車不安全，其實不是車不安全，而是交管部門的監(jiān)管亟待加強(qiáng);小城鎮(zhèn)有了微型低速電動車，就要及時健全交通法規(guī)、規(guī)定行駛道路，認(rèn)真貫徹交通規(guī)則。如果不與時俱進(jìn)做好這些工作，又讓沒有合格駕駛技能的人隨便駕車上路，導(dǎo)致“馬路殺手”的出現(xiàn)，倒過來全怪到微型低速電動車的身上，實在是不講道理!

　　對于微型低速電動車的發(fā)展，首先政府部門要管起來。工信部、發(fā)改委要制定微型低速電動車的標(biāo)準(zhǔn);用標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范企業(yè)的準(zhǔn)入。公安部、交通部的規(guī)章制度和監(jiān)管力度跟上了，企業(yè)生產(chǎn)規(guī)范了，這種節(jié)能減排、價格實惠、出行方便的交通工具就能更好地發(fā)揮它利國利民的作用。

　　交通管理部門要針對微型低速電動車制定法規(guī)，把駕駛培訓(xùn)、交通規(guī)則、上牌照等問題明確起來，如可以規(guī)定微型低速電動車不允許上高速、駕駛速度不能超過50km/h等。

　　筆者：今年春天，北方多地區(qū)遭遇連續(xù)霧霾天氣，解決如何高效、清潔地利用能源問題已迫在眉睫。在節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的理念下，除了大力倡導(dǎo)電動汽車的發(fā)展外，各種儲能技術(shù)還應(yīng)該在哪些實際應(yīng)用領(lǐng)域、如何發(fā)揮其作用?

　　楊院士：霧霾是一個比較復(fù)雜的問題，汽車對霧霾的“貢獻(xiàn)”到底有多大，一直存在爭論，我也沒有直接的數(shù)據(jù)，但通常認(rèn)為在20%～30%。所以要推廣節(jié)能的微型低速電動汽車，這樣耗電量就小了，汽車對霧霾的“貢獻(xiàn)”也就少了。

　　發(fā)展可再生能源發(fā)電，有利于克服霧霾問題。現(xiàn)在幾個比較大的風(fēng)力發(fā)電場裝機(jī)容量都在千萬千瓦級，有“風(fēng)電三峽”之稱，內(nèi)蒙、河西走廊、新疆的風(fēng)力發(fā)電都在此規(guī)模。這么大的發(fā)電規(guī)模要調(diào)節(jié)，完全靠儲能絕非易事?，F(xiàn)在抽水蓄能規(guī)模最大，技術(shù)成熟，但是在風(fēng)能資源豐富的地區(qū)，一般都干旱缺水，發(fā)展抽水蓄能比較困難;另外，風(fēng)力發(fā)電是瞬時變化的，抽水蓄能在時間響應(yīng)上不易適應(yīng)。

　　化學(xué)儲能技術(shù)沒有地域的限制，時間響應(yīng)快，在局域的或者分布式的電網(wǎng)上是可以發(fā)揮作用的;還可以將電網(wǎng)夜間的“谷電”儲起來供白天電力緊張時使用，對發(fā)電廠、電網(wǎng)肯定有利，對蓄電站和用電戶也可能有利。

　　我之前寫過一篇文章《規(guī)模儲能裝置經(jīng)濟(jì)效益的判據(jù)》，推導(dǎo)了儲能經(jīng)濟(jì)性的公式，涉及到7個指標(biāo)，包括電的進(jìn)出價格、能量效率、電池的使用壽命、建設(shè)費用、維護(hù)費用等，某種儲能技術(shù)是否能保本，一代入這個公式便一目了然?，F(xiàn)在全釩液流電池的能量效率大概能做到70%左右，跟抽水蓄能效率相當(dāng)，鋰離子電池能做到90%，原先的鉛酸電池在70%～80%，而現(xiàn)在的鉛炭電池也能做到90%，比大多數(shù)物理儲能技術(shù)的能量效率高得多。使用壽命也不可輕視，循環(huán)1萬次的電池使用

　　成本，要比循環(huán)5000次的電池低一半。另外，政府應(yīng)該拉大峰谷電價差，夜里的電價要盡量便宜，這樣峰谷電價差大了，鼓勵人們盡量用掉夜間剩余的電，儲能企業(yè)也可不虧本運行。所以儲能行業(yè)要發(fā)展，不僅牽涉到技術(shù)問題，也牽涉到國家政策問題，需要政府、企業(yè)、科研人員一起努力。

　　人物簡介

　　楊裕生，1932年出生于江蘇省如皋縣。1952年畢業(yè)于浙江大學(xué)化工系。1963—1986年，在核試驗基地研究所歷任室副主任、主任、副研究員、副所長、所長。1987—1990年，任核試驗基地科技委主任、研究員。1988年9月被授予少將軍銜。1990年10月至今，任防化研究院研究員、科技委委員。兼任西北核技術(shù)研究所研究員和浙江大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京科技大學(xué)等校教授。1995年5月當(dāng)選為中國工程院院士。他創(chuàng)建了我國核試驗煙云取樣和核武器威力與性能的放化分析診斷技術(shù)，主持完成20多次核試驗的取樣分析任務(wù)，提供的大量測試結(jié)果成為驗證和改進(jìn)武器設(shè)計的直接依據(jù)，獲國家發(fā)明二等獎2項。1998年轉(zhuǎn)入電池領(lǐng)域研究，籌建了我軍唯一的化學(xué)電源實驗室，從事高能密度二次電池、超級電容器、鉛炭電池等的研究開發(fā)，是中國鋰-硫電池的開拓者。