近日,一條新聞給電動車行業(yè)打了一針雞血,各大新聞媒體也因此興奮得嗷嗷叫:中科院上海硅酸鹽研究所發(fā)布消息稱,該所聯(lián)合北京大學(xué)、美國賓夕法尼亞大學(xué)展開持續(xù)攻關(guān),已研制出一種高性能超級電容器電極材料——氮摻雜有序介孔石墨烯,該材料具有極佳的電化學(xué)儲能特性,可用作電動車的“超強電池”,充電只需7秒鐘,即可續(xù)航35公里,相關(guān)研究成果已于12月18日發(fā)表在世界頂級期刊《科學(xué)》上。
那么,這個新玩意是否能解決電動車?yán)m(xù)航力差和充電慢的瓶頸問題?我看未必。
什么是石墨烯電池?
石墨烯電池其實并不是真正的電池,而是一種新材料超級電容。在此之前,超級電容已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電動車、混動汽車和大功率輸出設(shè)備等領(lǐng)域,作為一種電化學(xué)儲能裝置,其性能介于傳統(tǒng)電容和電池之間,具有功率密度高,循環(huán)壽命長以及安全可靠等特點,但是能量密度卻是其最大的軟肋。
為了解決這個問題,科研工作者只能在新材料上下功夫。經(jīng)過多年研究,最后發(fā)現(xiàn)氮摻雜有序介孔石墨烯的性能表現(xiàn)最佳,不僅能實現(xiàn)高能量密度和高功率密度,而且還具有無毒環(huán)保,體積輕重量小,成本低廉易于規(guī)模生產(chǎn),性能安全可靠,不易燃也不易爆等等優(yōu)勢,實為超級電容之最佳材料,可謂是居家必備,老少咸宜……
正因如此,氮摻雜有序介孔石墨烯超級電容無論是性能還是成本,都比目前實際應(yīng)用的所有種類的電池更具優(yōu)勢,且在快速充放電方面更是將鋰電池甩出幾條街,完全可以替代掉原先的電動車電池組成為新的儲能設(shè)備。所以,該超級電容被冠以“石墨烯電池”的名頭見諸各大媒體。
然而就本質(zhì)來說,石墨烯電池并不是真正的電池,如果說超級電容相當(dāng)于電腦中的內(nèi)存,電池相當(dāng)于電腦中的機械硬盤,而石墨烯電池其實就相當(dāng)于固態(tài)硬盤——盡管都有“儲存”上的功能體現(xiàn)以及儲存容量的限定,但就原理而言,固態(tài)硬盤和機械硬盤其實并不是一回事,固態(tài)硬盤的工作原理更接近于內(nèi)存。
為何石墨烯不能帶來電動車革命?
以特斯拉Model S為例,滿電理論續(xù)航里程480公里上下,電池容量為85千瓦時,可用快速充電方式在一小時內(nèi)充滿電;而在快速充電條件下,充電樁的直流輸出高達(dá)125千瓦時,換句話說就是每小時耗電125度。好了明確了這一點之后,咱們再繼續(xù)往下掰扯小學(xué)水平的數(shù)學(xué)題。
如果將特斯拉Model S的鋰電池全部更換為等容量的石墨烯電池,以“充電7秒鐘續(xù)航35公里”來計算,480公里的續(xù)航力只需充電96秒,這個時間不比普通汽車加油耗時慢——其實算上在加油站排隊和交費等時間,車主們會發(fā)現(xiàn),自己進(jìn)加油站加一次油的耗時不止96秒。
1小時(3600秒)將特斯拉Model S充滿電,充電樁輸出是125千瓦時;97秒將特斯拉Model S充滿電,充電樁的輸出就是3600÷96×125=4687.5千瓦時,即1小時耗電4687.5度——強調(diào)一下,這還只是理論數(shù)值!
85千瓦時的電池容量在1小時快充模式下耗電125千瓦時,損耗就高達(dá)47%(即125/85-100%=47%),而在96秒內(nèi)充電85千瓦時,其損耗絕對遠(yuǎn)不止這么點,這對整個充電系統(tǒng)的散熱要求達(dá)到了一個極其變態(tài)的高度!
好,就算中國有能力建造散熱能力極其變態(tài)的充電系統(tǒng),咱們接著往下算:保守而言,高速公路上的服務(wù)區(qū)加油站都可以同時容納6輛車加油,以此為例,每個服務(wù)區(qū)都建立6個充電站,其負(fù)載將高達(dá)4687.5×6=28125千瓦時,這是一個什么概念呢?
這么說吧,三峽電站總共有32臺70萬千瓦的水輪發(fā)電機,總裝機容量高達(dá)22,400,000千瓦,就算全負(fù)荷運轉(zhuǎn),也只能承擔(dān)796個服務(wù)區(qū)的充電站用電量——如果考慮到實際充電損耗和輸變電損耗,這個數(shù)值將至少下降三分之一,約為530。
我查了百度了一下關(guān)鍵字“高速公路服務(wù)區(qū)”,百度百科的結(jié)果是,截至2011年,全國高速公路服務(wù)區(qū)就超過1500個,現(xiàn)在相信遠(yuǎn)不止這個數(shù)!這就意味著,一個三峽電站,只能負(fù)載全國三分之一的高速公路服務(wù)區(qū)充電站,若遇上冬季枯水期,這個負(fù)載就只能轉(zhuǎn)嫁給火電廠,如此一來,中國霧霾會不會加劇?大家自己想。
再者,每個服務(wù)區(qū)的快速充電站負(fù)載高達(dá)28125千瓦時,這就意味著每個服務(wù)區(qū)都必須配套一個至少10KV的專用變電站,其建設(shè)費用大約在500萬元上下,這就意味著750億的資金缺口。我們再發(fā)散思維一下,如果以后電動車普及了,中國每個小區(qū)都有6輛“充電7秒鐘續(xù)航35公里”的電動車在車庫中?砍潆——其實一個小區(qū)6輛電動車并不算多,結(jié)果又當(dāng)如何?結(jié)果太“美”,我不敢想象!
這還不是最要命的,或許大部分時間電動車不會扎堆充電,但如果遇上個節(jié)假日,高速公路爆棚,每個服務(wù)區(qū)都有電動車扎堆排隊,又該怎么辦?其實每年節(jié)假日的服務(wù)區(qū)加油站都在上演這一幕,而且可以確信的是,電動車的車主在服務(wù)區(qū)都不會有耐心采用“慢充”模式,國家電網(wǎng)根本無法承受這種負(fù)載!好了,有人提議,為了保證國家電網(wǎng)不被壓垮,每個充電樁只能設(shè)定為960秒的快充模式,排隊長點就長點,這樣總該解決問題了吧?
當(dāng)然不行,我相信任何一個高校電氣工程專業(yè)的學(xué)生都會把說這種話的人拖出來打一頓!電氣工程中有一個術(shù)語叫“潮流分布”,就算用這種比原來慢10倍的方式集中充電,如此小范圍大負(fù)載且時段集中的用電行為,將會造成電網(wǎng)潮流分布的嚴(yán)重異常,會對國家電網(wǎng)形成致命打擊,中國會瞬間變成解放前的油燈社會。
有人又說了,把充電時間再慢10倍,變成9600秒,這樣總該OK了吧?是的,OK了,9600秒,比兩個小時還多,如此一來,石墨烯電池的快速充電意義豈不是變成了然并卵?
小結(jié):
綜上所述,電動車的充電其實不是一個單方面的技術(shù),這就好比有人拿個水壺去水管下裝滿水,決定裝水速度的不單是容器的開口,而是水管的開口和流速。所以說,電動車的充電速度其實是由“兩個巴掌”來決定的,就算其中一個巴掌進(jìn)化成高逼格的鈦合金巴掌,也是拍不響的。
當(dāng)然了,我寫這篇文章的目的并非是向在新材料領(lǐng)域做出突出貢獻(xiàn)的中國科學(xué)家們潑冷水,不管從任何一個角度說,如此偉大的科研成果都是值得我們尊敬和銘記的。我只是想說明,單憑一個“石墨烯”,解決不了電動車目前乃至未來所面臨的充電難題,純屬科普,絕無惡意。
在我看來,反而是手機能最先享受到這一偉大科技帶來的便利,就算每個手機充電器做到20A的直流輸出,即充電速度比現(xiàn)在快20倍,也不會對家庭和電網(wǎng)的負(fù)荷造成任何不利影響。
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