从《火星救援》看：石墨烯锂电池与无线充电技术

动力锂电池的使用寿命大概是20年，但是用于汽车只能是3-5年就报废。因为它的容量衰减到初始容量80%以下时，电动汽车的续航里程就会明显减少，所以价格偏高也限制了电动汽车的发展。何况纯电动汽车充电时间相对漫长，且充电桩很少，非常不方便。

没有宏大浩瀚的宇宙场景，也没有高端炫丽的科技，仅凭着严谨科学的情节，上周一部《火星救援》成为众影迷们的焦点。片中让美国政府操碎了心，在《拯救大兵瑞恩》和《星际穿越》中被拯救了一遍又一遍的马特·达蒙，这一次又被困在火星上了。怎么办?再去救一遍呗。

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《火星救援》整个剧情围绕开场时火星上的大风暴展开，由马特·达蒙饰演的马克被困在火星，只身在此进行持久自救。在经历了严寒、辐射、缺吃少喝后，马克战胜了所有困难，最终获救。

整部影片中，马克在那台火星车上的戏份占据了很大篇幅，它基本可以算是影片的“男二号”了。电影里，这台火星车肩负起运送马克和各种器材到离基地3200公里的地方等待救援的任务。

但就和大部分电影一样，如果主角是个万能的大英雄，那男二肯定是个啥都干不了的废柴。《火星救援》也一样。

电池容量是纯电动车续航的最大瓶颈

在电影里，这台火星车设计续航里程只有35公里，马克需要开着它走过相当于从北京到拉萨的路程，大概得开90个地球日(24小时/日)，还不能开暖风，否则续航就得再减一半···于是马克只能带着一车太阳能板，每天开到没电，然后就是漫长的充电。

我们算一下，从电影里看马克一共带了19块太阳能板，我们凑个整算20块，每块太阳能板1平方米。虽然火星到太阳的距离比地球到太阳的距离远，但空气稀薄，我们假设这里接收太阳光照强度和地球差不多，那么每平米光照强度按1千瓦算。普通太阳能板的发电效率在15%到20%左右，既然这是NASA的高级东西，那我们按20%算。

我们不知道马克在火星上行驶的纬度，所以不知道当地的日照时间多长。按照北京年平均日照时间7小时40分钟估算一下，在加上火星自传周期比地球多37分钟，最后取整算9个小时。所以得出这台火星车充满电后的电量是36千瓦时，然而续航里程只有35公里!

特斯拉Model S使用的松下18650电池组

其实马克的烦恼也是我们的烦恼，在距离火星2.25亿公里的地球上，我们现在使用的电动车也是如此。目前国内的纯电动车续航里程在200公里左右，比如北汽EV200续航240公里，锂离子电池容量30.4千瓦时，而特斯拉MODEL S则可以达到500公里(85千瓦时)。

虽然是比马克的“男二号”强多了，但200多公里的续航在地球上还是略显不足的。而且动力锂电池的使用寿命大概是20年，但是用于汽车只能是3-5年就报废。因为它的容量衰减到初始容量80%以下时，电动汽车的续航里程就会明显减少，所以价格偏高也限制了电动汽车的发展。何况纯电动汽车充电时间相对漫长，且充电桩很少，非常不方便。

目前规模化生产的蓄电池主要有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池，其中以锂电池最为先进。而锂电池科技中最__的技术则是高能锂离子电池，包括以尖晶石锰酸锂为正极材料的高能量密度储能电池，以及以多元金属氧化物为正极材料的高功率储能电池。

铅酸电池

铅酸蓄电池普遍应用在国内的低速电动汽车上，容量从200mAh到3000mAh。这种电池的价格也比其他的电池价格低，但续航能力比较差，而且使用寿命短，日常维护频繁，所以不太适合用在纯电动车上。

磷酸铁锂电池

磷酸铁电池放电效率可达90%以上，理论寿命达7-8年，性价比是铅酸电池的4倍。但它的容量较小，且在报废后就无法再回收利用，使用成本较高。

钴酸锂电池

比较知名的就是松下NAC系列18650钴酸锂电池，它被用在特斯拉生产的纯电动车上。MODEL S P85上的电池单元使用了8142颗18650钴酸锂电池，每颗容量3100毫安时。每一节18650钴酸锂电池两端均设有保险丝，当电池出现过热或电流过大时，保险丝会切断，以此避免因某个电池出现异常情况(过热或电流过大)时影响到整个电池组。

锂电池的未来--石墨烯锂电池

世界上的首款石墨烯聚合材料电池由西班牙Graphenano公司和科尔瓦多大学合作研发，其中Graphenano公司也是世界上__家以工业规模生产石墨烯的公司。目前常见的三元锂电池能量密度在180-200mAh/g，而石墨烯聚合材料电池的能量密度则可以超过600mAh/g。也就是说，如果将特斯拉MODEL S P85上的电池替换为同等重量的石墨烯电池，其续航里程将达到约1500km，是原来的3倍。

充电桩的现状

当你开着纯电动车走在路上，最担心的一定是渐渐降低的电量。它不像汽油车，随时都能找到加油站。目前充电桩还没有到普及，充电这点儿事儿是纯电动车车主和潜在车主最关系的事。

我们现在之所以觉得汽油车更方便，主要是因为能够随时找到加油站。就算特斯拉MODEL S的续航里程比普通汽油车更高，但如果在需要充电的时候找不到充电桩，那可就太悲剧了。

根据相关数据统计，2014年纯电动车销售量为4.5万台。而根据国家电网数据显示，目前全国充电桩数量仅有2.6万个，北京拥有的充电桩数量最多，约1700个，其次是上海，也仅有1400个，远无法赶上纯电动车的增量。此外，我国各地的直流充电接口与通讯协议标准至今尚未统一。而如果你想自己安装充电桩，那固定停车位就成了必需品。一个车位多少钱，相比各位北上广的朋友心里是有数的。

无线充电技术

智能手机领域的无线充电技术已经较为普及，这为电动车开了个个好头。和传统充电站、充电桩相比，无线充电设施布置灵活，只需改造现有停车场和车位，就可以给纯电动车充电。我们甚至可以将发射端埋在路面之下，让电动车边行驶边充电，免去了占用过多空间的问题。此外，无需插入式电缆的无线充电方式，也解决了充电接口制式的问题。

无线充电的原理很简单，它在发射端将电能转换成电磁波并发射出去，接收端接受到电磁波之后，再将其转换成电能，就可以进行充电了。目前共有三种不同的实现方式：电磁感应式、无线电波式以及磁场共振式，三种方式也是各有优劣。

电磁感应式，即是使用两个互感线圈进行无线充电。当输入端线圈中的电流发生变化时，输出端线圈的磁场即会随之发生改变，从而产生感应电流，将能量从输入端转换到输出端。使用电磁感应的原因进行无线充电要求两个设备的距离必须很近，并且只能一对一进行充电，充电时必须对准线圈。不过能量转换率高，传输功率范围较大，能从几瓦到几百瓦。

无线电波式，即是通过接收无线电波进行无线充电，原理与矿石收音机类似。不过这种方式的传输功率非常小，最高仅为100毫瓦，且功效很低，大部分的能量会以无线电波的形式被浪费掉。在传输距离上稍有优势，最远距离为10米。

磁场共振式，即是通过电磁共振的方式进行无线充电，原理与声波共振类似，只要两个介质具有相同的共振频率，就能够传递能量。这种方式的充电距离在电磁感应式与无线电波式之间，优点是传输功率较大，能够达到几千瓦，可以同时对多个设备进行充电，不要求两个设备之间线圈对应;缺点就是损耗很高，距离越远，传输功率越大，损耗也就越大，最麻烦的是必须对使用的频段进行保护。

德系厂商联合研发

2014年7月，宝马和奔驰联合宣布合作研发电动车电磁感应式无线充电技术。新技术基于奔驰全新S级进行测试，宝马计划将其率先应用在i8上，双方表示将在未来2到3年内将其商业化生产。这个设备分为两个部分，一个是汽车底盘安装的线圈，另外一个是内置线圈的地板，当汽车开到充电地板上时，无线充电开始工作。车底盘的接收器和电磁设备上的发射器会通过WiFi连接后自动进行充电，当汽车充满电后两者会自动断开。这套系统目前的额定功率为3.6KW，以宝马i8为例，该系统可在两小时内为其充满电。目前双方正在对线圈等进行进一步改造，使其输出功率最终达到7kW。

奥迪也不甘落后，他们的无线充电与奔驰宝马类似，但奥迪很巧妙的让这套充电设备可以自由升降，以适应不同高度的底盘，提高充电效率。电力传输效率与供电线圈和受电线圈距离有关，线圈距离越近，传输效率越高。

日系厂商偏爱磁共振式无线充电

日系方面，丰田也在2014年加入了无线充电的研发行列。与德系不同的是，日系厂商普遍使用磁共振充电技术(日产使用电磁感应式无线充电技术)。由于无线充电对位置要求较高(供电/受电线圈需重合)，他们专门开发了一套泊车辅助系统，可在车辆中控屏上显示供电线圈的位置，让司机在停车时可以更好的瞄准。本田的磁共振无线充电设备，只要有80%面积重合，就可以为车辆充电，对车辆位置的要求进一步降低，而且可以一对多充电。

沃尔沃：为行驶中的车辆充电

相比其他厂商，沃尔沃在无线充电领域属于后来者，但却青出于蓝，实现了为行驶中汽车充电的创举。他们在自己位于瑞典Hallered的测试中心建设了一条长约0.25英里的测试道路，该测试道路内部铺设了电缆。一台拥有集电器的测试用卡车在经过这段道路时会同电缆自动展开连接，750V的直流电将对车辆进行充电，并经过一个水冷装置。整个充电过程必须在汽车时速60公里/小时内进行。

无线充电虽然前景无限 但也存在争议

传统汽车厂商对无线充电充满热情，但特斯拉CEO埃隆·马斯克则对其比较不感冒。他认为，和超级充电站相比，无线充电属于一种“低能低效”的充电方式。它的充电效率不高，峰值效率为90%左右，而传统充电方式则可达到95%;此外无线充电的传递功率不够大，以目前技术水平来看，大多数无线充电的传递功率都在10kW以下，虽然满足需求，但充电时间会很漫长。汽车工程师协会SAE在咨询了汽车制造商、无线充电技术公司以及电力供应商之后，确立了未来汽车无线充电服务的行业标准，即输出功率≤20kW，运行频率85kHz。

最后还不得不提安全问题，由于采用电磁方式产生电流，无线充电还存在辐射泄漏的问题。无线充电技术不管是采用电磁感应式还是磁场共振式，都有发射能量和接受能量的过程，因此充电过程的安全性饱受质疑。尽量研究表明电磁共振使用的磁场与地球磁场类似，对于人类的健康并无影响，但是取得消费者的信任依然是个漫长的时间。

虽然存在争议，但无线充电肯定是电动车发展的趋势。如果能够全面普及无线充电技术，就能够极大地提高电动汽车充电的便利性，不管是在充电过程上，还是在续航上，都将大大增加人们对于电动汽车的接受度。问题会随着技术的进步得以解决，市场商机也驱使着新技术的诞生。成熟发展的无线充电技术，将会是电动汽车占领市场的开疆之臣。

总结：电影里，马克凭着那辆只能开35公里的电动车，最终到达了营救地点，平安归来。在现实中，我们的科学家也正不断努力。除了电动车，另外一些诸如“氢燃料电池”等新能源技术也在不断的被应用。像丰田发布的名为“MIRAI”车型，便采用氢燃料电池作为车辆的动力。与纯电动车型不同的是，氢燃料电池通过氢罐储存的氢气与氧气反应，产生驱动车辆的电能。假如下次马克又不幸被人遗忘在哪个星球，也许新的电动车可以让他多开一阵子了。