由動力電池能量密度和世界現有的能源結構看電動汽車發展趨勢

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這幾年的汽車界，最火熱的話題之一莫過於電動汽車了。特斯拉使用鋰離子電池作為動力，獲得了無以倫比的加速性能，吸引了無數眼球。德國大眾陷入尾氣排放作弊的醜聞漩渦中，難以自拔。為了扭轉在民眾不良的公眾形象，表態將推出更多零排放的電動汽車。一方面中國政府也希望通過補貼培育電動汽車產業，期望在汽車這個龐大的產業中獲得突破，推動自主品牌的發展和汽車產業升級。另一方面，中國每到冬季就深受霧霾之苦，天南地北五湖四海都茫茫一片，民眾不好受，政府也顏面無光。中國政府期望增加電動汽車的比例，減少燃油汽車的排放，從而抑制霧霾。另外，幾個歐洲小國，譬如荷蘭、挪威要在2025 年禁售燃油汽車；連汽車強國德國、法國的部長也表態，2040 年要禁售燃油汽車；甚至電力設施還不完善會經常斷電的印度也來湊熱鬧，要在2030 年禁售燃油汽車。儼然電動汽車在不久的將來馬上要全面替代燃油汽車，燃油汽車馬上就要被打入冷宮，要被禁售。而所謂不久的將來就是2030 年，甚至更加早，在2025 年。

然而，從動力電池的能力密度和現有的能源結構去看，我並不看好2030 年禁售燃油汽車，但是要留意自動駕駛對電動汽車的推動作用。

首先，現有的鋰離子電池能量密度很難有革命性的突破

很多人第一眼看到這句話是應該都會露出一臉鄙夷的神態，心裡都會暗暗的想：現在科技那麼發達，日新月異，十幾年前硬碟大小還以M 來計算，現在以G 來計算都嫌少，都翻了萬倍以上了；再過幾年鋰離子電池能量密度隨便翻幾倍沒有問題。但是事實並非如此簡單。真實的情況是，現在先進的鋰離子電池已經幾乎達到了鋰離子電池的能量密度極限。

無論是汽油的燃燒，還是鋰離子電池的充放電，能量來源都是氧化還原反應，本質是反應物化學元素的外層電池發生了轉移。汽油燃燒本質是發生強烈的氧化還原反應，伴隨著電子的轉移，發出光和熱；鋰離子電池放電本質也是氧化還原反應，鋰離子得到電子，電子定向移動形成電流，如圖1 所示。

圖1

基於以上原理，在鋰離子電池中移動1mol 鋰離子做的功， 與鋰單質燃燒反應中移動1mol 鋰離子所做的功是一樣的，可以以電子的轉移數量作為能量密度的量度。三元鋰離子電池理論上的能量密度極限是498wh/kg*。但是要實現鋰離子電池充放電功能，單純看化學方程式是不行的，下面幾點是必須考慮的。第一是，鋰離子電池電解液，以及構成電池的結構件，例如外殼，正負極集電極，過壓保護裝置，都會佔去一部分重量，如圖2 所示。第二是，正極材料中不可能全部材料都參與反應，否則過度充電會導致正極材料結構坍塌，正極材料的分子結構會被破壞。考慮電解液及額外的結構材料，取修正係數0.95；考慮並非所有的正極材料都能參與反應，取修正係數0.8，估算鋰離子實物的能量密度極限為378wh/kg，僅僅相當於汽油能量密度（12888.9wh/kg）的2.9%！

圖2

特斯拉Model S 使用了松下18650 鋰離子電池，18650 鋰離子電池的能量密度為243wh/kg，那麼松下18650 鋰離子電池的能量密度提升空間為(378/243‐1)*100%=56%。根據公開的報道，馬斯克聲稱特斯拉Model 3 的能量密度（馬斯克並未確切指出是CELLLEVEL 還是PACKLEVEL）提升了30%，如果指的是CELLLEVEL，那麼對於先進水平的三元鋰離子電池的能量密度提升空間已經不大。

如果能找到新的正極材料，或許可以改變現在動力電池能量密度偏小的窘況，但是要找到另外一種全新的正極材料也不是一件容易的事。三元鋰離子電池中，使用到的三種金屬元素是鈷（Co）、鎳（Ni）和鋁（Al），其中鎳和鈷作為基體，鋁為摻雜加強。我們把目光聚焦到化學元素周期表上，鎳和鈷都是過渡元素上的Ⅷ族元素，有利於形成具有特殊功能的化合物。如果再往後找其他元素，相對質量會增大，反而降低能量密度；如果往前找其他元素，一般來說，這些元素形成的是穩定化合物，很難用於可反覆充放電的電池。

圖3

或許，固體鋰離子電池是一個不錯的方向，從提升能量密度和縮短充電時間取得一個平衡點，從兩個方面同時入手解決電動汽車的里程焦慮。

*三元鋰離子電池能量密度極限計算過程：

三元鋰離子電池最大的能量密度為7/168.2 × 43.1MJ/kg=1.7937 MJ / kg =498 wh/kg

然後，石油在很長一段時間都不會枯竭。

眾所周知，石油是一種化石能源，總有用完的一天。但是在各種媒體的渲染下，給我們一種錯覺，石油馬上就要用完了，人類馬上就要面臨化石能源危機。事實上，人類每年新發現的可用石油儲量都要比人類每年用掉的石油多。圖4 中灰色曲線是全世界的石油采儲比， 從曲線可以清晰看到，曲線的趨勢上升的。過去20 年人類新發現的石油要比用掉的多！按照2016 年世界石油消耗量去計算，現在世界剩餘的可用石油還足夠我們使用50.6 年。圖5顯示的是人類可用的石油儲量，20 年過去了，它的變化趨勢也是可用石油儲量越來越多。

圖4

圖5

有必要特別指出的是，BP 石油在這兩張圖表裡面統計的都是常規石油，並沒有包括非常規石油。而非常規石油的儲量遠遠超過常規石油的儲量。在非常規石油中，特別需要注意到的是頁岩油。根據美國能源部的估計，單單是美國頁岩油的可用儲量就有1.5 萬億桶，跟現在已經探明的常規石油儲量相當！也就是說，單單是美國的頁岩油還能足夠全世界再使用50 年！

還有，價廉物美的汽油。

石油行業是一個重資本，高技術的行業。但是石油行業經過100 多年的發展和完善，原油及其製品的價格已經十分便宜。18 年3 月4 日布倫特原油價格為64.5 美元/桶，摺合2.6 元/升；而在廣州7‐11 買一瓶555ml 的怡寶礦泉水都需要3 塊，摺合5.4 元/L。原油價格竟然遠遠低於普通礦泉水的價格！原油精鍊之後的93#汽油價格為6.9 元/升，基本上與礦泉水的價格相當，並不比礦泉水貴很多！汽油是如此價廉物美，作為一種被廣泛使用的能源，相比其他的能源種類它的競爭力是無以倫比的，難以在短時間內被取代。

一方面是因為石油產業鏈經過一百年多年的發展，已經相當完善；另一方面原油經過煉油產品線出來的產品並非只有汽油（圖6、圖7），汽油佔據44.1%，還有航空煤油（9.2%），船舶用柴油（2.3%），塑料的母料（1.8%），潤滑油（0.9%）等等，這些都是現代工業所必須的產品和原料，把石油比喻成「工業的血液」並非虛誇。如此多的產品一起與汽油共享煉油產品線，共同攤薄煉油產品鏈和煉油生產線的成本。所以我們才能享受到物美價廉的汽油帶給我們的幸福生活。

圖6

圖7

需要注意到的是，原油煉製後的產品包括飛機用的航空煤油，塑料的母料。在未來很長的一段時間內，航空煤油依然是航空發動機的動力來源，航空煤油是不可或缺的。塑料製品廣泛地存在日常生活中，給大家生活帶來了各種便利，在未來十幾年內人類也還沒有找到可以替換塑料製品的方案。也就是說，通過煉製原油來獲取航空煤油，塑料母料的行業格局在未來很長一段時間都是難以打破的。這些行業相互依存，缺一不可。如果在短時間內禁售燃油汽車，為了獲取航空煤油和塑料母料，煉油廠的產線依然會正常開工生產，那麼佔比44.1% 的汽油就會作為副產品生產出來。如果我們不能對汽油物盡其用，難道會把它嘩啦啦的倒入下水道流走？顯然不大可能。

自動駕駛對電動汽車的推動作用。

上帝在關閉一扇門的同時，也為我們打開了一扇窗。

自動駕駛要求動力輸出實時性好，最好是完全沒有滯後。傳統的內燃機由於存在氣門， 活塞，惰輪這些部件，動力輸出的時滯比電動機要嚴重。所以無人駕駛汽車更加傾向於使用電動汽車作為載體。持續的需求會推動廠家不斷改善性能，促進技術的進步。一旦無人駕駛汽車技術取得突破，對電動汽車的推動作用是難以估量的。無人駕駛汽車技術主要可以分為算力和演算法。算力在摩爾定律的推動下，狂飆猛進；關於演算法，誰知道第二天早上起床，會不會就有數學或者計算機天才發明了新演算法，輕而易舉的實現了凸顯識別呢？對於無人駕駛汽車技術，我是異常樂觀的。要格外留意自動駕駛技術對電動汽車的推動作用。

作一個總結：2030 年禁售燃油汽車並不現實。

1，現有的鋰離子電池能量密度達到瓶頸，短時間內很難取得突破性進展。固體鋰離子電池或者是一個不錯的推進方向。

2、現有的石油儲量足夠全世界人使用好幾十年，未來好長一段時間都無須為石油供應擔心。

3、經過上百年的發展，現在汽油已經變得非常價廉物美，汽油在能源結構中的地位是很難短時間被取代的。

4、要留意自動駕駛技術的突破對電動汽車的推動作用。

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作者：NE時代

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