锂离子电池如何让电动汽车重获新生?

1900年,美国28%的汽车是电动车;锂离子电池最终逆转了汽油长达一个世纪的胜利.
1900年,美国28%的汽车是电动车;锂离子电池最终逆转了汽油长达一个世纪的胜利.

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锂离子电池凭借其高能量密度和不断下降的成本,解决了电动车百年来在续航和重量方面的难题,使现代电动汽车在技术上成为可能.本文讲述了从19世纪90年代到1991年的这段历史,以及这场革命如何重塑了汽车.

亮点

  • 1900年美国路上的汽车中有 28%是电动车;但竞争最终由汽油车胜出.
  • 首款商用锂离子电池于 1991年由索尼 推向市场.
  • 锂离子电池成本从每kWh约 9,200美元降至78 美元.
  • Tesla Roadster (2008): EPA续航393公里, 0-100 km/h 加速 3.9秒.

电动车其实比燃油车出现得还早?

与许多读者想象的不同,确实如此.电动车的历史与内燃机几乎始于同一时代,而且在头半个世纪里,电力绝非边缘技术.1827年至1828年间,匈牙利神父Ányos Jedlik制造了第一台电动机,并驱动了一辆小型模型车.1832年至1839年间,苏格兰人Robert Anderson研制出一辆粗糙的电动车;但当时原电池还无法充电,也就是说这辆车依靠一次性储能装置行驶.1837年,Robert Davidson在阿伯丁制造了第一台电力机车原型;1841年放大版的 Galvani以每小时4英里的速度牵引了6吨重的载荷,行驶1.5英里.铁路工人因担心失去工作而摧毁了这台机器——技术遭遇的第一次抵制竟然出现在如此早的年代.

转折点出现在1859年:Gaston Planté的铅酸电池首次使车辆的可充电储能成为可能.这种化学体系如此坚固耐用,以至于今天仍被用于内燃机车辆的启动电池.Thomas Parker大约在1884年于英国投入运营电动有轨电车,并制造了电动车原型.

从Morrison到Jenatzy:第一个黄金时代

在美国这边,参考人物是William Morrison.1890年,他在爱荷华州得梅因为自己的电动车申请了专利;该车为前轮驱动,输出4马力,最高时速20英里,配备24节电池单元,行驶50英里后需要充电.1893年芝加哥世界博览会上,它引起了轰动.在费城,Salom和Morris于1894年获得 Electrobat 专利;到1896年,该车配备两台1.1 kW电机,续航达25英里,并在同年击败汽油动力的Duryea汽车,赢得了多场五英里冲刺赛.

这些数字清楚地展示了那个时代的受欢迎程度:1900年美国路上的汽车有28%是电动车;首届汽车展上展出的160辆汽车中有三分之一是电动车.在城市使用中,电力具有真正的优势——安静、清洁、拧动开关即可启动,而且很少出故障.1899年,Camille Jenatzy驾驶一辆配备双25 kW电机、采用partinium铝合金车身的 La Jamais Contente 成为第一个突破100 km/h和60 mph大关的人.纽约的Electric Vehicle Company利用电池更换站运营了600多辆电动出租车; 1897年伦敦已建立了首个电动出租车服务.

汽油为何胜出? 电动与汽油之争的剖析

电动汽车的首次失败并非性能上的失败, 而是工程经济性的失败.有四个制约因素, 而且全部可以量化:

  • 成本: 电动汽车的价格几乎是汽油车的两倍, 被视为奢侈品.1908年福特Model T售价850美元时, 大多数电动汽车的售价至少是它的两倍; 1923年Model T跌破300美元时, 许多电动汽车的价格是它的十倍.
  • 续航与储能: 备用汽油桶比备用电池轻得多——问题的核心正是这个质量比.
  • 基础设施: 在没有电力供应的乡村地区无法充电; 而汽油则是一种随处可售的储存能源.
  • 启动: 1912年, Charles Kettering的电动启动机(首次用于Cadillac)淘汰了手摇曲柄, 抹去了电动汽车的核心使用优势.

用一句话概括, 铅酸电池的能量密度无法满足汽车对质量和续航的要求. Detroit Electric仍在1907至1939年间生产了超过35,000辆汽车; Henry Ford的妻子Clara Ford在1908至1914年间使用了一辆Detroit Electric.在英国, 电动送奶车"milk float"一直运营到1980年代, 且该国在20世纪大部分时间里是全球最大的电动道路车辆用户——但这些都是任务单一的特殊车辆, 而非通用型汽车.

二十世纪的中期尝试: 电池有多重就走多远

从1920年代起, 电动汽车被边缘化但并未完全消亡; 每一次尝试都再次证明问题始终出在电池上.日本1947年推出的 Tama, 以铅酸电池实现20 mph时速和40英里续航, 执行出租车任务. Henney Kilowatt (1959-1960)将电压从36 V提升到72 V, 达到60 mph时速和60英里续航; 尽管如此, 仅生产了约100个底盘, 售出47辆车.

GM的 Electrovair II 实验(1966)是说明情况严峻性的一个数据点: 银锌电池、532 V系统电压、115 hp功率和40-80英里续航——但电池仅能承受100次充电循环, 且电池组的成本按当年币值高达160,000美元.1971-72年, 月球巡查车(LRV)服务于另一个目标——终极可靠性: 采用GM Delco电机和不可充电的银锌电池, 耗资3,800万美元.1973年OPEC禁运后, 兴趣再度复苏: 1974年上市的 Citicar 只有2.5 hp和约25 mph, 十分简朴, 但其总计4,444辆的产量使其直到2013年一直是二战后美国最大的电动汽车制造商.1977年款GM Electrovette 原型采用铅酸电池, 30英里时速下可行驶50英里; 由于汽油价格低于预期, 该项目被搁置.

GM EV1: 最早直面电池问题的汽车

上世纪90年代, 加州的零排放汽车强制令催生了现代意义上第一家认真制造电动汽车的车企.GM从Impact概念车走向量产, 并 EV1 于1996-97年开始租赁; 1997年交付给租户, 总计租赁约1,000辆.首批车型采用铅酸电池; 后来推出的镍氢 (NiMH) 版本提供了70-160英里的续航——在当时的技术水平下是一次显著的飞跃, 但仍不够.

最后一批车于1999年生产; GM以制造成本高、市场规模小为由于2003年终止了该项目, 结束租约, 回收车辆并销毁了大部分.当时曾发生民众抗议; Francis Ford Coppola是少数能保留自己车辆的人之一.EV1的终结究竟由什么决定, 至今仍有争议: 流行的说法强调成本与市场规模, 另一种解读则聚焦GM1992年的财务危机和管理层更替 (Jack Smith出任CEO).共识在于: 铅酸和NiMH化学体系无法达到让汽车盈利且实用的能量密度.缺失的那块拼图是锂离子电池.

锂离子革命是如何开始的?

锂离子电池的基础研究发表于20世纪70年代; John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham和Akira Yoshino因这项工作共同获得2019年诺贝尔化学奖.商业突破出现在1991年: Sony采用Yoshino的设计, 开始生产和销售世界上首批可充电锂离子电池——"锂离子"这一名称也由此而来.这种电池先进入摄像机, 随后进入其他消费电子产品; 电动汽车当时还不在规划之中, 但使其成为可能的储能装置已进入量产.

初始数据用数字说明了这项技术为何占据优势.最早的商用电池体积能量密度约为200 Wh/L——几乎是当时同类系统的两倍.重量能量密度从100-120 Wh/kg提升到300 Wh/kg以上; 自上市以来的三十年间, 体积密度增长了三倍.最惊人的曲线是成本: 锂离子电池从每kWh约9,200美元降至78美元——降幅超过99%.大多数技术变革要么带来性能提升, 要么带来成本下降; 锂离子两者兼得, 而这足以改变一辆汽车.

指标1991 (首批商用电池)数十年后
成本 (每kWh)约9,200美元78美元
体积能量密度约200 Wh/L增长三倍
重量能量密度100-120 Wh/kg300 Wh/kg以上
首批高速公路合法EV用户Nissan Altra EV (1998)

从实验室到汽车: 从tzero到Tesla Roadster的脉络

当消费级锂离子电池变得普及时,汽车工程师们成为最早注意到这一点的人之一.1997年,Alan Cocconi的AC Propulsion公司 tzero问世:150 kW(201 hp),采用铅酸电池.Martin Eberhard订购了一辆锂离子版tzero;结果是0-60 mph加速3.7秒——预估成本高达22万美元.这个原型证明了低产量但高价格的锂离子跑车是具备市场可行性的.

2003年,Eberhard和Marc Tarpenning创立了Tesla Motors;Elon Musk先是试图说服AC Propulsion进行生产,随后投资了Tesla.2008年, Tesla Roadster 开始生产:这是世界上第一款采用锂离子电池的量产电动跑车.第一代车型使用AC Propulsion授权的动力系统,基于Lotus Elise的零部件打造.技术规格如下:

  • EPA续航里程: 244英里(393公里) - 最早展示200英里以上续航的量产车型之一.
  • 0-100 km/h: 3.9秒;288 hp.
  • 电池组: 53 kWh 锂离子电池.
  • 产量:2008至2012年间超过2,400辆;2010年价格为109,000美元.
  • 耐久性:预计电池组平均在行驶10万英里后仍能保持初始容量的80%-85%.

Roadster的真正贡献不在于技术,而在于证明:锂离子电池组可以实现真实续航、真实性能和合理的电池寿命在同一场车中共存.2011年,Nissan Leaf作为首款采用专属平台的大型制造商EV,搭载24.0 kWh锂离子电池组上路,并于2018年1月成为历史上销量超过30万辆的最畅销纯电动车;这一纪录后来被Tesla Model 3打破.而EV1留下的工程经验则在Chevrolet Volt和Bolt车系中延续.

这场变革今天走到了哪里?

Bugünün 10 milyon elektrikli aracı, 1991'de bir kamera bataryasıyla başlayan zincirin uzantısıdır.

锂离子电池对汽车行业的重塑是以规模来衡量的:到2020年底,轻型插电式电动车的累计销量已突破1000万辆.成本曲线持续下行——预计到2026年,电池包价格将降至约80美元/千瓦时;2025年,LFP化学体系的电池包比其他化学体系平均每千瓦时便宜40%以上.革命的第一章由锂离子书写;下一章是否会由固态电池书写,仍是悬而未决的工程问题.

结论:硬件革命如何促成了市场革命?

电动汽车在1900年曾拥有市场份额,但其电池未能守住这一份额;GM EV1实现了量产,但其电池未能支撑盈利.锂离子跨越了这两道门槛:能量密度解决了续航,成本曲线解决了价格.Tesla Roadster正是这两条曲线交汇处的第一辆汽车;如今千万辆规模的车队,是1991年一块相机电池所开启的链条的延续.硬件先行就绪,市场随后跟进——顺序向来如此,从未颠倒.

参考资料