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)模燃燒產物是水, 無污染。目前實驗室和小規(guī)�；�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氫法�，F(xiàn)階段, 全球每年氫氣產量約為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�？茖W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)電可用于調節(jié)電網, 在電網低負荷時利用多余電進行電解水生產氫氣和氧氣, 在電網高負荷時利用氫氣和氧氣反應給電網供電; 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“氫經濟”時代。