随着电池材料与技术的不断进步,  锂离子动力电池开发成果显著。目前较为先进的商业化锂离子电池能量密度可达260Wh/kg, 搭载此类锂离子动力电池的TeslaModel  S的续航里程达到约400  km。  近期, 以色列纳米技术公司StoreDot推出了“超快速充电”动力电池, 通过将多层纳米材料和专有有机化合物层添加到传统锂离子电池中, 实现5min完成充电,并支持汽车续航约480km。  但由于锂离子电池的材料固有属性, 尚难以满足电动汽车大规模发展的要求。业界普遍认为,  电动汽车需要动力电池能量密度大于500Wh/kg, 续航里程大于700km才可以全面普及。近期有望达到上述要求的动力电池主要包括固态锂离子电池、锂金属电池、锂硫电池、锂空气电池、锌空气电池等。

其中,  固态锂离子电池因体积能量密度可提升70%、质量能量密度可提升40%, 成为下一代锂电池的重要发展方向之一; 锂空气电池的理论能量密度最高, 剑桥大学已宣称研发出容量3000 W h/kg的锂空气电池, 是现有锂离子电池理论值的近8倍。目前来看, 上述电池技术尚不成熟, 仍然处于基础研究与实验阶段, 距商业化应用还有较长距离。

现阶段, 电动汽车的快速发展尚未危及石油在交通运输领域的主导地位, 但对石油的替代趋势已经显现。未来全球电动汽车数量仍将保持高速增长,预计2030年全球电动汽车保有量有望突破1亿辆, 较2016年增长50余倍, 大约可替代车用燃油120万桶/ 天。而自动驾驶技术和共享经济模式的结合将会进一步提高电动汽车的便利性和使用效率, 从而大幅降低电动车的出行成本和传统燃料汽车的行驶里程, 届时电动汽车将成为石油液体燃料的“劲敌”。

2.氢燃料电池或将引起全球能源格局变革

氢能是指氢和氧进行化学反应释放出的化学能, 为二次能源, 具有能量密度大、燃烧热值高等优点,氢能开发利用已取得较为显著的成果,未来实现规模燃烧产物是水, 无污染。目前实验室和小规模化的氢商业应用还要依赖于几个关键技术的突破。

氢在地球上主要以化合态存在, 需要从动植物废料、化石燃料和水中制取, 廉价的制氢技术是氢气作为能源应用的先决条件。工业上制取氢气途径主要有3种, 分别为甲烷蒸汽重整法、煤炭气化法以及电解水产氢法。现阶段, 全球每年氢气产量约为5000 亿m3,其中95%以上是通过甲烷蒸汽重整法和煤炭气化法获得,但这两种工艺制氢过程会排放大量二氧化碳,在当前二氧化碳捕集、封存与利用技术尚不成熟、也无经济性的情况下,利用甲烷、煤制氢并不符合全球减少二氧化碳排放的要求。科学界正在积极探索廉价的制氢新模式,涌现出一系列新型的制氢材料与技术,如光催化分解水和光电催化分解水制氢、生物质制氢、细菌-光催化制氢等技术, 并开发出石墨烯、黑鳞、氮化碳等新型的催化制氢材料。这些颠覆性技术及先进材料的持续突破,将为未来廉价的、低碳清洁制氢提供强有力的基础保证。

氢气是已知密度最小的气体, 常温常压下极易燃烧, 安全可靠的储氢、输氢技术成为氢能大规模开发利用的关键。氢气存储方法主要包括高压气态储存、低温液态储存、化合物储氢等。其中, 高压气态储存和低温液氢储存技术需要将氢气保存在特制容器瓶中,因造价昂贵而无法大规模应用。 科学界正在积极探索相对廉价安全的纳米、合金、络合氢化物、金属有机骨架化合物和有机液体等材料作为储氢载体循环使用。特别是, 有机液体氢载体可利用现有石油储运方法与设施在常温常压下储运氢气。

美国已实现体积比约为630:1的有机液体氢载体系统,中国科学家近期也发明了一种新型铂-碳化钼双功能催化剂, 将催化活性提升了近两个数量级, 每摩尔催化剂每小时可释放氢气高达18046 mol, 基本满足车载氢燃料电池组的需求[53]。近期储氢技术的突破构建了新的高效化学储氢体系,为燃料电池原位供氢提供了新的思路,并有望作为下一代高效储氢体系得到应用。

燃料电池是将氢气化学能直接转化为电能的装置, 是氢能高效转化及利用的最佳方式, 具有转换效率高、零污染、零排放等特点。尽管氢燃料电池汽车远未达到市场普及阶段, 但全球科学界和主要汽车企业都在积极开发氢燃料电池技术, 推动氢燃料电池汽车试验应用。目前, 中国、美国、欧盟、日本、韩国等都制定了较为完备的氢燃料汽车发展规划, 并尝试通过政策、法规全面促进氢能开发利用。  截至2017年3月底, 全球氢燃料电池汽车保有量已达4138 辆, 其中美国和日本的氢燃料汽车远高于其他国家,分别达到1592辆和1707辆, 二者合计约占总量的80%。随着廉价制氢技术、氢燃料电池技术的不断进步以及氢燃料基础设施的不断完善,  氢燃料电池汽车有望于2030年前后进入快速发展期, 预计到2050年全球氢燃料电池汽车保有量占比有望达到1/4以上。

当前, 氢能源的开发利用尚处于探索起步阶段, 还无法对传统能源造成重大冲击, 但远期看, 氢能源的普及和大规模利用将是大势所趋。氢燃料发电可用于调节电网, 在电网低负荷时利用多余电进行电解水生产氢气和氧气, 在电网高负荷时利用氢气和氧气反应给电网供电; 氢燃料汽车有潜力与电动汽车竞争交通运输工具的主角; 氢燃料电池还可作为能源载体, 将电能、风能、太阳能、地热能等可再生能源转化成氢能源加以储存、运输或直接利用, 建立分布式能源网络, 实现区域或城市电能、热能和冷能的联合供应, 通过搭建氢能源联用平台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。届时全球有望步入“氢经济”时代。