它才是人类的终极能源！这个你应该了解

目前，以锂离子电池为代表的传统电池技术已经快抵达了天花板，要想有大幅提高能量密度已经很难了！...



自从内燃机的发明和普及以来，它已经牢牢占据了动力系统的最高生态位，从公路上奔驰的汽车，到矿山的重型卡车；从海洋上各种船舶，到天空中翱翔的飞机，都靠内燃机驱动。

但随着工业化的进程，人类排放的温室气体与日俱增，引起了全球性气候的变化，雪山的雪线像中年人的发际线一样逐渐升高，南极厚厚的冰盖出现裂缝，海平面在以人们能够察觉的速度上升，这一切都在暗示是时候放弃对内燃机、对化石燃料的依赖了。主要基于节能减排的需要，近几年，电动汽开始大力发展，但电池技术仍然是发展瓶颈，充电时间长，里程焦虑问题始终是挥之不去的心病，这两个难题能最终解决吗？让我们先来看一看电动车的发展历史吧。

起步早的电动车，被电池“卡脖子”了

其实，电动车的历史比我们最常见的内燃机驱动的汽车要早，但为什么后来电动车几乎被内燃机取代了呢？

1859年发明了可充电的铅酸电池后，蓄电池技术得到了很快的发展。1881年世界上第一辆可充电电动车诞生，这是一辆用铅酸电池为动力的三轮车。自此，电动车在欧美得到了广泛应用，这是电动车发展的一个高峰期。

但随着石油的开发和内燃机技术提高，市场逐步给内燃机驱动的汽车所取代，主要是因为内燃机车加油时间短，续航里程长。内燃机的长处恰恰是电动车的短处。

如何大幅提高电动车电池的能量密度？

目前，得益于锂离子电池技术的发展，电动车开始复苏，充电时间和续航里程得到了大幅提高，但电池的能量密度遭遇到了瓶颈期。理论上，常规电池的能量密度仅能做到汽油能量密度的十分之一。一味增加能量密度，还会带来重大的安全隐患，那么有没有更好的电池技术呢？还真有！这就是燃料电池（Fuel cell）。所谓的燃料电池，从本质上看，就是让燃料不经过燃烧，直接转变成电能的一种能量转换装置。

这里稍微展开一下讲，内燃机车首先要让燃料进行燃烧，转换为热能，热能再转换为驱动汽车的有用能量。在热能到机械能的转换过程中，由于受到热力学第二定律的限制，理论上只有一部分热能转换为机械能，真正能够转化出来的机械能也就20-30%，这是无法完全通过技术问题解决的事情。而燃料电池，是一种直接把化学能转变为电能的装置，不受热力学定律的约束。

燃料电池的能量密度极大！以氢燃料电池为例，氢是目前地球上已知能量密度最高的元素，它的能量密度高达142千焦/克。这是什么概念呢？汽油的能量密度是44.3千焦/克，这已经是非常高的了！但仅为氢能的三分之一。

燃料电池的氢反应堆的能量转化效率在50%-60%以上，随着技术的不断进步，理论上氢能转电能的转化效率可以做到接近100%，电动机把电能转化成机械能的能量转化效率在90%以上。正因为在能量密度上的优势，让氢燃料电池车的小型化轻量化和高新能化成为可能。这也是为什么氢燃料电池车的续航里程可以很轻松的超过1000公里的原因，并且不会让整车变得无比沉重，整车的电能使用效率要远高于纯电动车。其实，如果我们放眼整个宇宙，氢元素和氦元素是宇宙中丰度最高的两种元素，其他元素占比不到1%，其中氢元素就占了大约75%！

燃料电池汽车既然这么香，为什么还没遍地开花呢？

尽管有这些优点，街道上仍然很难见到燃料电池车辆的身影：在过去十年中，现代、本田、丰田和戴姆勒等制造商的燃料电池车辆销量甚至没有达到15,000辆。原因何在？

除了许多汽车公司仅关注电池技术，且加氢站网络仍然欠佳的原因之外，主要原因在于车辆高昂的价格。每年全球仅开采加工170吨铂金，未来，这种贵金属将仍然十分稀缺且价格昂贵。“如今在此类车辆中作为催化剂所需的40克铂的价值便已高达1,000欧元。”达姆施塔特工业大学化学、材料和地球科学部门的催化剂专家Ulrike Kramm解释说。

向大自然学习：从血红细胞到燃料电池

自20世纪90年代第一批燃料电池乘用车问世以来，所需的铂数量虽然已经下降到之前水平的十分之一，但要达到“每辆车10克”的目标值（由此显著降低车辆成本）仍然遥遥无期。因此，科学家们一直在寻找替代品。

Ulrike Kramm团队深受自然界的启发，尤其是我们红细胞的血红蛋白。这种蛋白质复合物的核心是一个血红素基团，中间有一个铁原子，被四个氮碳环包围。它负责在血液中输送氧气，因为氧气可以附着在铁元素上并再次释放。基于此，他们发明了Fe-N-C催化剂。要想让这种催化剂拥有尽可能高的活性和稳定性，重点在于铁原子必须被正确数量的氮原子包围。Ulrike Kramm使用所谓的“原位和操作莫斯堡尔光谱法”对此进行检查。她的团队是全球精确光谱分析领域的佼佼者。

此外，她和她的博士生们还开发出一种制备和清洁工艺，该工艺利用简单、价格低廉的原材料（铁、氮和碳），仅需几个步骤即可。

催化剂专家UlrikeKramm赢得默克“好奇心研究奖”#alwayscurious

这些成功令Ulrike Kramm赢得了多个奖项，其中包括2019年“出行与能源”领域的好奇心研究奖（Curious-Mind-Forscherpreis）——默克公司与《经理人》（Manager）杂志旨在通过此奖项表彰40岁以下的科学家。

氢燃料电池，未来可期#humanprogress

我们看到，以锂离子电池为代表的传统电池技术已经快抵达了天花板，要想有大幅提高能量密度已经很难了！燃料电池虽然也面临技术方面的挑战，但还没有遇到不可逾越的鸿沟，问题的解决只是时间问题，发展空间非常大。Ulrike Kramm也相信，可以通过进一步优化合成步骤来降低成本。在未来，燃料电池的价格将会比如今低得多。一种更可能的情形是，电池驱动电动车将会用于城市周边出行，燃料电池车辆用于长途出行，而重型卡车、飞机和轮船则会利用无碳燃料驱动。

我们相信，随着技术的进步，燃料电池驱动的车辆将是一种终极的驱动方式。

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