隨著電池材料與技術的不斷進步,  鋰離子動力電池開發(fā)成果顯著。目前較為先進的商業(yè)化鋰離子電池能量密度可達260Wh/kg, 搭載此類鋰離子動力電池的TeslaModel  S的續(xù)航里程達到約400  km。  近期, 以色列納米技術公司StoreDot推出了“超快速充電”動力電池, 通過將多層納米材料和專有有機化合物層添加到傳統(tǒng)鋰離子電池中, 實現(xiàn)5min完成充電,并支持汽車續(xù)航約480km。  但由于鋰離子電池的材料固有屬性, 尚難以滿足電動汽車大規(guī)模發(fā)展的要求。業(yè)界普遍認為,  電動汽車需要動力電池能量密度大于500Wh/kg, 續(xù)航里程大于700km才可以全面普及。近期有望達到上述要求的動力電池主要包括固態(tài)鋰離子電池、鋰金屬電池、鋰硫電池、鋰空氣電池、鋅空氣電池等。

其中,  固態(tài)鋰離子電池因體積能量密度可提升70%、質(zhì)量能量密度可提升40%, 成為下一代鋰電池的重要發(fā)展方向之一; 鋰空氣電池的理論能量密度最高, 劍橋大學已宣稱研發(fā)出容量3000 W h/kg的鋰空氣電池, 是現(xiàn)有鋰離子電池理論值的近8倍。目前來看, 上述電池技術尚不成熟, 仍然處于基礎研究與實驗階段, 距商業(yè)化應用還有較長距離。

現(xiàn)階段, 電動汽車的快速發(fā)展尚未危及石油在交通運輸領域的主導地位, 但對石油的替代趨勢已經(jīng)顯現(xiàn)。未來全球電動汽車數(shù)量仍將保持高速增長,預計2030年全球電動汽車保有量有望突破1億輛, 較2016年增長50余倍, 大約可替代車用燃油120萬桶/ 天。而自動駕駛技術和共享經(jīng)濟模式的結合將會進一步提高電動汽車的便利性和使用效率, 從而大幅降低電動車的出行成本和傳統(tǒng)燃料汽車的行駛里程, 屆時電動汽車將成為石油液體燃料的“勁敵”。

2.氫燃料電池或將引起全球能源格局變革

氫能是指氫和氧進行化學反應釋放出的化學能, 為二次能源, 具有能量密度大、燃燒熱值高等優(yōu)點,氫能開發(fā)利用已取得較為顯著的成果,未來實現(xiàn)規(guī)模燃燒產(chǎn)物是水, 無污染。目前實驗室和小規(guī)模化的氫商業(yè)應用還要依賴于幾個關鍵技術的突破。

氫在地球上主要以化合態(tài)存在, 需要從動植物廢料、化石燃料和水中制取, 廉價的制氫技術是氫氣作為能源應用的先決條件。工業(yè)上制取氫氣途徑主要有3種, 分別為甲烷蒸汽重整法、煤炭氣化法以及電解水產(chǎn)氫法。現(xiàn)階段, 全球每年氫氣產(chǎn)量約為5000 億m3,其中95%以上是通過甲烷蒸汽重整法和煤炭氣化法獲得,但這兩種工藝制氫過程會排放大量二氧化碳,在當前二氧化碳捕集、封存與利用技術尚不成熟、也無經(jīng)濟性的情況下,利用甲烷、煤制氫并不符合全球減少二氧化碳排放的要求。科學界正在積極探索廉價的制氫新模式,涌現(xiàn)出一系列新型的制氫材料與技術,如光催化分解水和光電催化分解水制氫、生物質(zhì)制氫、細菌-光催化制氫等技術, 并開發(fā)出石墨烯、黑鱗、氮化碳等新型的催化制氫材料。這些顛覆性技術及先進材料的持續(xù)突破,將為未來廉價的、低碳清潔制氫提供強有力的基礎保證。

氫氣是已知密度最小的氣體, 常溫常壓下極易燃燒, 安全可靠的儲氫、輸氫技術成為氫能大規(guī)模開發(fā)利用的關鍵。氫氣存儲方法主要包括高壓氣態(tài)儲存、低溫液態(tài)儲存、化合物儲氫等。其中, 高壓氣態(tài)儲存和低溫液氫儲存技術需要將氫氣保存在特制容器瓶中,因造價昂貴而無法大規(guī)模應用。 科學界正在積極探索相對廉價安全的納米、合金、絡合氫化物、金屬有機骨架化合物和有機液體等材料作為儲氫載體循環(huán)使用。特別是, 有機液體氫載體可利用現(xiàn)有石油儲運方法與設施在常溫常壓下儲運氫氣。

美國已實現(xiàn)體積比約為630:1的有機液體氫載體系統(tǒng),中國科學家近期也發(fā)明了一種新型鉑-碳化鉬雙功能催化劑, 將催化活性提升了近兩個數(shù)量級, 每摩爾催化劑每小時可釋放氫氣高達18046 mol, 基本滿足車載氫燃料電池組的需求[53]。近期儲氫技術的突破構建了新的高效化學儲氫體系,為燃料電池原位供氫提供了新的思路,并有望作為下一代高效儲氫體系得到應用。

燃料電池是將氫氣化學能直接轉化為電能的裝置, 是氫能高效轉化及利用的最佳方式, 具有轉換效率高、零污染、零排放等特點。盡管氫燃料電池汽車遠未達到市場普及階段, 但全球科學界和主要汽車企業(yè)都在積極開發(fā)氫燃料電池技術, 推動氫燃料電池汽車試驗應用。目前, 中國、美國、歐盟、日本、韓國等都制定了較為完備的氫燃料汽車發(fā)展規(guī)劃, 并嘗試通過政策、法規(guī)全面促進氫能開發(fā)利用。  截至2017年3月底, 全球氫燃料電池汽車保有量已達4138 輛, 其中美國和日本的氫燃料汽車遠高于其他國家,分別達到1592輛和1707輛, 二者合計約占總量的80%。隨著廉價制氫技術、氫燃料電池技術的不斷進步以及氫燃料基礎設施的不斷完善,  氫燃料電池汽車有望于2030年前后進入快速發(fā)展期, 預計到2050年全球氫燃料電池汽車保有量占比有望達到1/4以上。

當前, 氫能源的開發(fā)利用尚處于探索起步階段, 還無法對傳統(tǒng)能源造成重大沖擊, 但遠期看, 氫能源的普及和大規(guī)模利用將是大勢所趨。氫燃料發(fā)電可用于調(diào)節(jié)電網(wǎng), 在電網(wǎng)低負荷時利用多余電進行電解水生產(chǎn)氫氣和氧氣, 在電網(wǎng)高負荷時利用氫氣和氧氣反應給電網(wǎng)供電; 氫燃料汽車有潛力與電動汽車競爭交通運輸工具的主角; 氫燃料電池還可作為能源載體, 將電能、風能、太陽能、地熱能等可再生能源轉化成氫能源加以儲存、運輸或直接利用, 建立分布式能源網(wǎng)絡, 實現(xiàn)區(qū)域或城市電能、熱能和冷能的聯(lián)合供應, 通過搭建氫能源聯(lián)用平臺提升可再生能源的利用率并逐步替代石油等化石能源的使用。屆時全球有望步入“氫經(jīng)濟”時代。