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長達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“軍用化學電源研究發(fā)展中心”并任中心主任。他指導年青人承擔了國家高技術研究發(fā)展計劃項目(863)、科技部電動汽車專項、國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目(973)、國家自然科學基金、國防科技預研基金、軍用“973”以及總裝十五預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和儲能技術領域均做出過突出貢獻的學界泰斗，請他就鉛酸電池目前的發(fā)展狀況、電動汽車的發(fā)展以及儲能技術的應用和發(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的發(fā)展做出了突出貢獻，回到北京后，是在什么樣的機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，我被調到原國防科工委，加入了組建中的核試驗基地研究所，負責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，我當選中國工程院院士，深感自己的責任更加重大。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系統，我們走訪、聯合軍內多個單位，促成了研制立項。士兵綜合防護系統是以提高士兵作戰(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節(jié)器。微空氣調節(jié)器耗能高，對電源系統提出了更高的要求。1997年，經過論證，電池的能量密度不能低于300W?h/kg，這是當時美、日等國計劃2010年要達到的指標，遍訪我國的電池研制單位沒有一家愿意承擔這個項目。我想，我們防化研究院是全軍唯一與化學電源的“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。后來，上級批準了我的請纓，而我當時是“門外漢”兼“光桿司令”。經過一段時間的調研和論證后，我認為鋰-硫電池是唯一有希望達到要求的電池，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動員了曹高萍博士，又在中國科學院蘭州化學物理研究所以“院士助手”的名義招來苑克國碩士，這樣由我們三人組成的研究小組就在1998年夏天成立了，開始研究鋰-硫電池。歸根結底，我們是“逼上梁山”。

　　筆者：我國鋰-硫電池研究現狀如何，與國外相比還要在哪些方面進一步加強?

　　楊院士：現在我們的鋰-硫電池技術應該說做到了國內的較高水平，最近單體3A?h的電池比能量已經達到370W?h/kg。國內外不少人認為鋰-硫電池比能量可達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。國內現在研究鋰-硫電池的單位很多，研究所有中國科學院的化學所、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;學校有國防科技大學、上海交通大學、清華大學、武漢大學、北京理工大學、南開大學、廈門大學等，有的大學甚至有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-硫電池要實際應用到電動汽車中還有相當的距離，電池的指標不單單看比能量，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、技術較為成熟的化學電源，與其它化學儲能器件相比有什么優(yōu)點和缺點?

　　楊院士：在我國，鉛酸電池現在屬于“限制發(fā)展”產品，原因是有人說它污染嚴重，認為鉛酸電池過于古老、技術落后，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，技術自然而然的也就落后了。這樣一個價廉、安全、電性能好的產品，應該發(fā)揮它應有的作用。

　　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，現在國家已經核準了10家有回收資質的公司，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。另一方面就是要突破電池新技術，提高性能，讓它古老但不落后。我所以倡導舉行鉛酸電池新技術研討會，兩年一屆，主要為了交流新技術，推動鉛酸電池發(fā)展。

　　筆者：鉛酸電池近期有何技術上的進步?要想得到更廣泛的實際應用，哪些問題亟待解決?

　　楊院士：要說鉛酸電池的新技術，鉛炭電池是一大進步。鉛炭電池就是在鉛酸電池的負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，我覺得這個技術應該在中國大力推廣。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。鉛炭電池和超級電容器所需兩種炭的指標不同，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，我們負責研制活性炭，他們負責把活性炭加到鉛酸電池中，合作十分成功。一年多來，我們靠實驗室的設備，用手工的制備方式已經提供了1噸活性炭，南都生產了約200噸鉛炭電池。由鉛炭電池構成的“風-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良好。鉛炭電池在天津港集裝箱起吊機中應用，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，達到提供尖峰功率和節(jié)能的目的，節(jié)電率高達40%～50%，并且減輕了對電網供電質量的沖擊。在所有的升降電梯中也可使用這種節(jié)能技術。

　　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。我國每年汽車產量達2000多萬輛，如果大規(guī)模推廣使用此技術，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，產值至少20億元。據說，政府打算為每臺安裝啟停功能的汽車補助3000元，這筆錢似乎多了一些。

　　鉛炭電池技術要想得到更廣泛的應用，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，從來沒有進入過“863”指南。再有，即使可以申請，例如1000萬，要你自籌配套經費至少1000萬，這對軍隊研究所而言，根本無從談起!

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

　　楊院士：政府曾制定到2015年新能源汽車要達到50萬輛的計劃，現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品，沒有核心技術，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——“行星齒輪”技術，就能把節(jié)油率提高40%;三是現在國家對汽車企業(yè)的補貼過高，補貼標準成了汽車發(fā)展的風向標，導致車企缺乏社會責任感，不考慮車的市場化、產業(yè)化，只關心補貼的多少，而且高定價，由政府買單。

　　因此，政府要把發(fā)展電動汽車的指標落實到車企，每年要求汽車總產量中必須有一定比例的電動汽車，而且逐年提高此比例;超額完成任務目標的企業(yè)給予獎勵，未完成的企業(yè)要受到相應的懲罰，用懲罰的錢獎勵超額完成的企業(yè)，這樣把責任交給企業(yè)，讓市場來實現調節(jié)。我相信，這種“補改獎”的機制還能使電動汽車價格高、續(xù)航里程短、充電設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，請您談談微小型電動汽車與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：現在以中國的電池技術還不足以發(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品，滿足廣大城鎮(zhèn)的市場需求;②技術積累較好，2013年全國已產20萬輛，無需國家投資可以很快建成幾個年產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，國家還省掉建設調峰電站的大筆投資;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。

　　吉林大學的郭孔輝院士曾做過計算，用現在鋰離子電池的比能量做汽車，合理的里程設計在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，電池用量相當于純電動的一半左右，每百公里耗油量不到2.5L，現在已經有廠家在試產，但還沒上線，有待國家政策的引導。

　　筆者：今年中央電視臺3?15晚會曝光了某些企業(yè)在沒有整車生產資質的情況下，非法生產銷售低速電動汽車(以鉛酸蓄電池為動力的電動車)而導致多起事故的情況，對此業(yè)內外人士各執(zhí)己見。作為我國電池領域的權威專家，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品。將來，人們的思想境界高了，節(jié)能環(huán)保的意識強了，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)做得相當不錯，不但有規(guī)模，而且質量很好，所以很有市場。

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

　　現在有一些錯誤觀念：一是認為這種微型電動汽車技術含量低，與我們泱泱大國的形象不相稱。其實車大小跟技術水平毫不相干，俗話說“麻雀雖小，五臟俱全”，歐、美、日等發(fā)達國家與地區(qū)都制定了微型低速電動車的法規(guī)，符合其法規(guī)的中國產微型低速電動車在歐、美銷得很好，而且利潤不低;二是認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?中國鉛酸電池產量和美國相當，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;三是籠統地說這種微型電動汽車產品不合格，產品是否合格首先要有一個法規(guī)標準，現在政府相關部門并沒有制定微型低速電動車的相關法規(guī)標準，那這種車何來的不合格之說呢?粗制濫造的車肯定有，應該照法規(guī)標準加以測評和處理，更不能因為一些小企業(yè)的不負責任而把這個行業(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;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，認真貫徹交通規(guī)則。如果不與時俱進做好這些工作，又讓沒有合格駕駛技能的人隨便駕車上路，導致“馬路殺手”的出現，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準;用標準來規(guī)范企業(yè)的準入。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、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，除了大力倡導電動汽車的發(fā)展外，各種儲能技術還應該在哪些實際應用領域、如何發(fā)揮其作用?

　　楊院士：霧霾是一個比較復雜的問題，汽車對霧霾的“貢獻”到底有多大，一直存在爭論，我也沒有直接的數據，但通常認為在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”也就少了。

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

　　化學儲能技術沒有地域的限制，時間響應快，在局域的或者分布式的電網上是可以發(fā)揮作用的;還可以將電網夜間的“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)模儲能裝置經濟效益的判據》，推導了儲能經濟性的公式，涉及到7個指標，包括電的進出價格、能量效率、電池的使用壽命、建設費用、維護費用等，某種儲能技術是否能保本，一代入這個公式便一目了然?，F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，鋰離子電池能做到90%，原先的鉛酸電池在70%～80%，而現在的鉛炭電池也能做到90%，比大多數物理儲能技術的能量效率高得多。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。兼任西北核技術研究所研究員和浙江大學、北京理工大學、北京科技大學等校教授。1995年5月當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，主持完成20多次核試驗的取樣分析任務，提供的大量測試結果成為驗證和改進武器設計的直接依據，獲國家發(fā)明二等獎2項。1998年轉入電池領域研究，籌建了我軍唯一的化學電源實驗室，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。