MIT新发现:利用病毒增加电动汽车续航里程

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提起病毒这一名词,我们一般会联想到HIV、SARS等负面词汇;但如果将其特性应用在特定场景,却能在很大程度上服务于人类。近日,麻省理工学院(MIT)的一个研究小组在《自然通讯》杂志上发表了一篇论文指出,他们可以利用一种叫做M13的经过基因改良的良性病毒,来帮助延长电动汽车的续航里程,最高可达3倍。在电动汽车动力电池续航水平普遍遭遇瓶颈的今天,利用生化手段来解决这一问题实属首次。

要延长电动汽车的续航里程,无非就是从两点出发:要么增加电池数量,要么增加电池容量。第一个选择毫无疑问会增加汽车的整备质量,因此即便增加了电池,电动机的负载也随之增大,续航里程不见得会有提升;所以只能诉诸于第二种选择,也即增加电池的能量密度。目前,市场绝大多数的电动汽车动力电池都是锂离子电池(比如BMW i3等纯电动车),而镍氢电池则占很小一部分(比如丰田Prius混动车),原因就是锂离子电池的能量密度要大于镍氢电池。

MIT研究人员提出的解决方案更加超前,其基本原理是:

在锂-空气(Lithium-Air )电池(锂离子电池的一种)中放入M13良性病毒,然后加入金属钯作为催化剂,这种病毒就会“抓取”电解液中的金属分子,在该应用场景下会凝结成一个直径约为80纳米、由氧化锰凝结而成的纳米线(nanowire),其宽度与红细胞相当。当大量的纳米线凝聚在一起后,就形成了一个由氧化锰为材料的锂离子电池的阴极,在这里锂离子进行还原反应生成过氧化锂(Li2O2)。那么这种由病毒制造出的阴极有什么特点呢?与一般地通过化学反应制造出的氧化锰不同,这种纳米线呈荆刺状。换句话说,就是增大了阴极上锂离子反应的表面积,从而增加了电池的能量密度。

这个看起来很简单的生化电池技术,却能在很大程度上提升锂离子电池的能量密度,延长电动汽车的续航里程。当前市场上主流的电动汽车续航里程都160km左右,而MIT的研究人员称,采用了生化技术的锂-空气电池能把续航里程延长到550km。锂-空气电池作为动力电池未来的一个重点研究方向,其能量密度已经接近于传统的汽油。而采用生化电池技术则能进一步提升这一水准。

这里简要介绍下所谓的锂-空气电池。这是锂离子电池的一种,其由锂金属作为阳极反应物,由空气中的氧气作为阴极反应物。与普通的钴酸锂电池、磷酸铁锂电池相比,锂-空气电池的能量密度要高于前两者,并且由于阴极使用的是空气,所以可以进一步减轻电池的体积和重量。锂-空气电池是金属-空气电池的一种,由于锂金属相较纳、钙、镁、锌等金属具备较高的能量密度(3840 mAh/g),所以在金属-空气电池的研发中锂是首选的阳极反应物。

汽油的能量密度为13 kW·h/kg,真正传导至车轮的能量约为1.7 kW·h/kg;而锂-空气电池的理论能量密度为12 kW·h/kg ,即43.2 MJ/kg。据理论推导,使用锂-空气电池时传导至车轮的能量密度也可达到1.7 kW·h/kg。相较于现在普遍使用的锂离子电池,锂-空气电池的能量密度要高出5-15倍。这就为研发低价位、高续航的大众化电动汽车提供了理论支持。

其实,第一台汽油机与第一台感应电动机都是诞生于19世纪80年代,可谓是同期工业革命的产物。但在之后的一百多年里,汽车这种代步工具的动力来源却被以汽油机为代表的内燃机所统治,电动汽车一直都是边缘产品。这里面最主要的原因,并不是内燃机与电动机的发展水平有所差距,而应归结于最根本能量来源——电池。因为汽车工业中常有的动力电池的能量密度远低于燃油,所以电池一直没有成为与燃油并列的能源,也就是我们常说的电动汽车续航里程不足。

不过近几年随着电池技术的不断提升,以及各种新型电池材料的发现与应用,电动汽车动力电池的性能和制造成本得到了进一步优化。目前,电动汽车动力电池主要分为两类:蓄电池与燃料电池。一般意义上的电动汽车(EV)指的是应用蓄电池的车型,而燃料电池汽车由于其原料是氢气,所谓被称之为氢燃料电池汽车(FCEV)。

虽然说Tesla的Model S 85kWh的车型已经可以到达480km的续航水平,但毕竟售价接近9万美元;而且电池占用的体积很大,也增加了汽车的整备质量。所以,研发体积小、能量高的动力电池仍然是个重要课题。令人兴奋的是,Tesla目前已经在做这件事了。据Tesla提交的一份专利显示,目前Tesla正在研发一套电池/电池混合动力系统,即一个金属-空气电池、一个非金属-空气电池。这意味着Tesla也在考虑将金属-空气电池应用到旗下车型,以进一步增加其续航里程。据悉这一系统能使电动汽车的续航里程达到640km。关于该电池混动系统我在稍后会做详细的技术解读。

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