尋找二十一世紀的“新石油”
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[時間:2010-01-19 全球石油網 關注度:0]
摘要:
為應對全球氣候變暖帶來的惡劣影響，眾多汽車制造商加快了大規模生產電動汽車的步伐，不排放溫室氣體、拔插充電式的電動車的研發呈燎原之勢。例如，日本汽車制造商日產公司曾透露，其首批大規模生產的電動汽車將于今年在日本和美國上市。有人估計，到...
為應對全球氣候變暖帶來的惡劣影響，眾多汽車制造商加快了大規模生產電動汽車的步伐，不排放溫室氣體、拔插充電式的電動車的研發呈燎原之勢。例如，日本汽車制造商日產公司曾透露，其首批大規模生產的電動汽車將于今年在日本和美國上市。有人估計，到2020年，電動汽車將至少占據全球汽車銷量的10％。
電動汽車使用電池而不是化石燃料來供給動力，因此，電動汽車電池被稱為二十一世紀的“新的石油”。一個國家如果擁有了生產該種電池的能力，不僅可以減少對原油和原油生產國的依賴，還將在一定程度上確保自己未來的能源安全。
各方攜手，蓄勢待發
南非已經認識到電動汽車電池市場的重要性和廣闊前景。一些政府部門、科研機構和企業正在攜手推動南非電池產業的發展，其中包括：南非科學和工業研究會（CSIR）、工業發展公司（IDC）、貿易和工業部（DTI）、優化能源公司（該公司已經設計出南非本土的電動車）和其他商業實體。
作為政府實體的IDC正在評估在南非發展電池制造產業的商業可行性。IDC公司認為，電池 或者任何能量存儲介質 對未來極為重要。據IDC戰略影響項目部高級項目經理理提夫 布呂韋爾介紹，早在2008年4月，IDC就針對未來可能被采用的替代和綠色交通機制開始進行商業調查。布呂韋爾說：“我們正在調查大尺寸鋰離子電池技術，我們預期，這種電池的第一市場將是電動汽車；潛在的第二市場則是固定的能量儲存設備。”
布呂韋爾表示，目前IDC是該項目的推動者，不過，該項目的性質尚未確定。該公司正在與一些能夠在該項目的研發中發揮重要作用的南非本地及國際機構簽署各項合作協議。至于該項目所涉及的全部資金，IDC目前還不能給出確切的數字，這必須在項目的可行性評估完成后才能確定。
布呂韋爾說：“研發重點仍然是改進電池技術，以使電池更便宜、更安全和更持久。但就像其他技術一樣，電池研發技術最終必將進入市場，由消費者來判斷它是否夠好，從而促使我們進一步改進和優化。我們還深信，起步較早的公司可能贏得最多。”
南非貿易和工業部長羅布 戴維斯先生證實，貿工部正在探討如何使電動汽車電池生產本土化的途徑。他說，南非標準局（SABS）迄今通過了兩項電動汽車標準，而且正在研究國際標準組織發布的其他幾個標準，并考慮將之納為南非國家標準。他還補充說，貿工部和南非國家標準局還準備對電池測試設施標準進行擴充，以滿足不同類型的電池 包括電動汽車電池的測試需求。
鋰離子電池脫穎而出
鋰離子電池首次提出是在20世紀70年代。鋰離子電池雖然簡單，但在目前所有已知的可充電系統中，它能提供的電力最大，從而在眾多技術中脫穎而出。1991年，索尼公司推出了第一款商業化的鋰離子電池，從而徹底改變了電池市場的面貌。現在，鋰離子電池也廣泛出現在汽車、醫療、國防和航空航天等領域。
鋰離子電池的三個主要功能部件是陽極、陰極和電解質。商業上最流行的陽極材料是石墨碳。陰極一般是下列三種材料之一：具有分層結構的鋰金屬氧化物；具有橄欖石型結構的磷酸鋰；或者具有尖晶石型結構的鋰錳氧化物。陽極、陰極和電解質所用的材料不同，鋰離子電池的電壓、容量、壽命和安全性會有顯著不同。
大家公認，鋰離子電池使用的陰極材料的發明者是美國教授約翰 古迪納夫，但這種材料上也凝聚了其他很多研究人員的心血，其中就包括南非科學和工業研究會（CSIR）的邁克爾 薩克雷博士。薩克雷博士在20世紀80年代的研究導致了具有尖晶石型結構的鋰金屬氧化物電極材料的發現，根據使用的金屬不同，這種材料既可作為電池的陽極，又可作為電池的陰極。
1992年，對鋰電池的研究支持了10年之后`，CSIR決定停止對該技術的投資。1994年，薩克雷應邀到美國阿貢國家實驗室創建和領導一個新型鋰電池材料項目。CSIR的電池研究隨后停止。
薩克雷現在擁有35項專利。他強調，發展鋰離子電池技術對保證無油的未來“非常重要”。以運輸為例，鋰離子電池極有可能在所有電動汽車和混合動力汽車市場“唱主角”。目前的混合動力電動車，如豐田的普瑞斯（Prius），均采用鎳氫電池，而這種電池不太可能用于所有的電動汽車或插入式混合電動汽車，因為與鋰電池相比，它提供的電力有限，充電一次無法支持汽車行駛一個可以接受的車程。因此，在運輸領域，鋰離子電池似乎擁有最美好的未來。
再續前緣，搶抓機遇
然而，隨著電動汽車的出現，CSIR現在又重新恢復了鋰離子電池的研發，并于2009年成立了電池研究中心（BRC）。該中心主任姆克胡盧 馬泰博士說，在獨立開展研究的同時，該中心還與薩克雷密切合作。“這有助于我們把握電池技術的發展趨勢，掌握實現跨越式發展的技能”，他指出。
馬泰說：“目前，設備正源源不斷地到來。我們正在制定研究計劃，并與工業界和大學建立戰略伙伴關系。”BRC的最終目的是要在鋰離子電池的應用方面成為企業和高等教育機構的研究和合作伙伴。
那么，與世界上其他電池技術研發機構相比，BRC有什么特別之處？換句話說，南非的電池研發將依靠什么取得成功？
馬泰說，電池行業競爭激烈，沒有人會真正揭秘自己的研究。不過，南非的電池研究將集中在電解質領域，以改善電池的壽命和容量。同時還重點考慮如何使電池更容易回收。馬泰介紹說：“我們也在考慮在陽極化學領域使用納米材料，這些將使我們的研究與眾不同。”
同時，南非擁有電池生產所需的眾多原材料。馬泰解釋說，生產鋰離子電池需要磷、鈷、鎳、錳，這些南非都有。雖然該國并沒有大規模的鋰礦床，但根據南非地質科學研究會的調查，非洲國家如津巴布韋、納米比亞、尼日爾、加納、科特迪瓦、塞內加爾和馬里等都有鋰礦資源。
馬泰同意布呂韋爾關于“先開發者收益大”的判斷。他認為，電動汽車將在2010年開始大量推出，所以有3年至5年的緩沖時間來進入汽車電池市場，這就是為什么CSIR要趕在2010年2月生產出第一個小型（50分硬幣大小）鋰離子電池的原因。
馬泰計劃在2011年中期推出電動汽車鋰離子電池原型，“那將是一個準備就緒的電池，像優化能源這樣的公司可以在他們的車上測試電池性能。”
馬泰說，同標準內燃機的汽車相比，電動汽車仍然是昂貴的。其中電池大約占了電動汽車成本的25％。但是，如果在本地生產，可以將其削減到約15％。除了保證能源安全，在南非生產鋰離子電池也將使電動汽車的價格更有競爭力，從而逐漸為本地客戶所接受。
電池產業本土化成關鍵
位于開普敦的優化能源公司計劃在2010年開始試生產自己研發的電動汽車 “焦耳（JOULE）”，并在2012年開始大量生產，初始為500輛，2015年擴大到60萬輛，其中一部分瞄準出口市場。
“焦耳”是鋰電池驅動的5座轎車，最高速度預計可達每小時135千米，充電一次可行駛300千米。
優化能源公司技術總監格哈德 斯沃特認為進口臃腫笨重的電池毫無道理。他說：“從亞洲開往南非的船舶上裝滿了電池，我們把大量金錢花在這上面沒有任何意義。”
斯沃特說：“建立一個本土電池產業擁有很多優勢，要滿足‘焦耳’汽車每年1.8億度的電力需求，本土制造的電池是必要而又關鍵的。”他說，大尺寸的鋰離子電池（相對于小尺寸，例如筆記本電腦電池）目前還沒有成為一種商品，在世界任何地方都還沒有真正大規模生產。因此目前是一個機會，來建立新的電池生產工廠并不斷提高效率，南非工程師善于做這樣的事情。
斯沃特最后指出，優化能源公司對汽車電池有一些簡單而又必須的要求，在南非生產的任何電池要獲得商業上的成功，都必須滿足這些要求。
“這些電池需要滿足電動車輛對安全、性能、成本和壽命的嚴格要求。‘焦耳’汽車的電池成本需要低于250美元/千瓦時，能量密度要大于130瓦時/千克，至少有7年的工作壽命。”
“如果南非制造的電池可以持續達到這個目標，它們將暢銷世界各地。”
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