在美国加州的某些地方，如富有的拉霍拉、高科技的山景城，人们只要行走在街上，仿佛就能够窥见汽车工业的未来。在那些城镇里，路上行驶着的不是特斯拉就是尼桑聆风，再者就是其他款式的电动车。不过，电动车会成为汽车工业的未来吗?著名投行摩根·斯坦利今年发布了一份报告：除了特斯拉的Model S之外，目前市面上的纯电动车无一例外地统统没有达到市场预期目标，从目前来看，到2020年电动车能占据全球汽车市场的1%就不错了。
北京的焦虑
究竟是什么让电动车撞上了南墙?其实是所谓的“里程焦虑”在作祟。简单来说，就是人们担心电动车的续航能力不足。
美国电动车的拥趸们并不认为这是一个很大的问题。他们会告诉你：如今七至八成的城镇司机每天通勤和日常出行开车里程不超过150公里，而美国人的平均每日驾驶里程更是仅为50公里左右，现在的主流电动车已经具有足够的续航能力。
在地球的另一边，北京雾霾最严重的日子，人们也开始畅想电动车取代汽油车的未来——在方便出行的同时，亦能拥有蓝天白云，那将多么美好?然而，在北京这样巨大的城市里，电动车的电池容量问题却不像美国加州那些司机们说得那样简单。
想象一下这样的场景：你住在燕郊，在五棵松上班，每天往返里程合计约为120公里。你开着一辆主流电动车出门，根据美国环境保护署评测，它在充满电的情况下最多能开103英里(约合165公里)，理论上足以应付这段里程。不过，你今天中午还开车出去吃了饭，回家路上遇到交通管制绕了一大圈，然后还遇上了严重的大塞车，于是你发现，你还有2公里才到家，而你的车已经彻底没电了。
这是非常现实的问题：随着房价的攀升，越来越多在北京上班的人选择住到通州、燕郊、昌平或大兴等郊区，他们的通勤里程奇高，已经远远超出了所谓的“平均水平”。特斯拉革命尽管有专家认为120英里(约合193公里)的续航里程已经足够，但对于电动车来说，理想的状况依然是要达到与汽油车相媲美的公里数，亦即500公里左右。这个数字看起来不大，然而市面上却仅有特斯拉Model S达到了市场预期。
Model S具备三种不同的电池组规格，容量分别为40千瓦时、60千瓦时、85千瓦时。其中，85千瓦时的电池组可供汽车行驶300英里(约合482公里)，足以满足大多数人的需要。
为了配合Model S的高效电池组，特斯拉还在全球各地布置Super Charger充电站。这种充电站采用高压充电技术，以120千瓦的功率为电动车充电，可以在30分钟内为Model S充好能够开170英里(约合273公里)的电量。根据特斯拉官网提供的信息，它们已经在北美开设了94座这样的充电站，并且将在明年之内把这个数字提高到300座以上，让人们得以实现东西两岸之间的长途驾驶。
特斯拉的布局已经相当完整：电动车有能与汽油车相媲美的续航能力，亦可以像汽油车一样轻松补充能量，以实现长途旅行。按照这个发展势头，电动车取代汽油车也很有可能。然而，在理想与现实之间，仍有一个巨大的障碍，那就是价格。
为了实现超大电量，Model S的售价也相当高昂，85千瓦时版本在美国售价为93400美元，即使是抵扣掉7500美元的联邦税减免优惠后，也要8万多美元;而根据2013年《凯利蓝皮书》的统计，美国新车平均售价为32086美元，而且这都已经超出了大多数美国家庭的负荷能力。
此外，即使是Model S的镍钴铝电池，其电池组重量依然达到了1500磅(约合680公斤)。虽然储能效率远远高于同类产品，但考虑到跑同样里程的汽油车只需要50公升的油，两者之间依然有着巨大差距。于是，能否进一步提高电池能量密度，以及尽可能减少成本，就成了电动车是否能够真正成为汽车工业未来的关键。
如果电池能呼吸
所谓能量密度，就是单位体积中包含的能量，单位是Wh/kg。我们知道，汽油的能量密度在13000Wh/kg左右，而现今世界上最好的锂离子电池的能量密度也仅为300Wh/kg左右，而特斯拉的电池单元能量密度预测在250Wh/kg左右，这已是电动车电池行业的不二王者。然而，电动车想要取代燃油车，至少需要达到700Wh/kg的能量密度。
如何造出更好的电池呢?无非是在正极、负极和电解质等材料上做文章。比如说，特斯拉的镍钴铝电池，就是采用了镍钴铝三元正极材料。为了更好地利用不同的复合材料，研究者们不仅要找出能用的材料，还要发现它们为什么能用，以及它们是怎样使用的，亦即，电子如何围绕这些材料而运作。
如今最热门的前沿项目是锂空气电池。锂空气电池的理论能量密度为5200Wh/kg，比起特斯拉电池来说高了一个数量级;如果不计算氧气重量，其理论能量密度更是高达11680Wh/kg，这就堪比汽油了。就算考虑到理论值和实际值的差距，也应该完全能满足电动车的需求。这样的潜力当然让研究者们感到十分兴奋，现在全球至少有上千家研究所正致力于攻坚锂空气电池。
很显然，对于电动车行业来说，谁能最先掌握商用锂空气电池技术，谁就能够最快占据市场。大众汽车公司已经明确押宝于此，它们公开宣称要在2020年实现锂空气电池的量产化，并预期打造出一款续航里程高达800公里的超级电动车。作为电动车行业的领跑者，特斯拉也在开发金属空气电池。此前该公司曾被媒体披露拥有一项最新的专利，显示它们已经开发了一种由锂离子和金属空气(锂空气或者铝空气)电池组成的电池组，充一次电可以让汽车行驶达到400英里(约合650公里)。
丰田的实验
汽车业界巨擘丰田公司所选择的方向，却与大众和特斯拉不一样，其将金钱和目光都转向燃料电池汽车。
所谓燃料电池，就是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的电池。它可以是氢燃料电池，也可以是生物燃料电池。从表面上来看，它也像普通电池一样有正极、负极和电解质，等等，但事实上，它却不是一个蓄电池，而是一个发电装置，所以燃料电池汽车也依然属于电动车范畴。
燃料电池最大的优势在于体积小、分量轻但储能很高。今年年初，弗吉尼亚理工大学的一个研究团队就曾开发出一种“糖能燃料电池”，能量密度达到了锂离子电池的10倍。丰田公司预计在2015年左右上市的燃料电池车FCV-R亦是绝佳证明。根据丰田提供的资料，这款新车将有着至少500公里的续航能力，而且加燃料时间不会超过3分钟，综合来看，这样的表现将远远优于特斯拉Model S，已经达到了燃油车的水平。
然而，燃料电池的问题在于，其最大输出功率不足，也就是说，燃料电池车开不快。另外，在动力扭矩输出也就是汽车加速性能上，燃料电池汽车也有着天然的弱势。
充电效率提高20倍
除了提高能量密度之外，如何提高充电效率，也是研究者们的攻坚重点之一。
最近，有一家名为Power Japan的日本公司宣称它们和日本九州大学的研究人员们一起研发了一种碳电池，能够将电池充电效率提高20倍——能够让一辆尼桑聆风在12分钟内完成充电，而不是以前的4小时。
据悉，Power Japan研发的碳电池在正负极上均采用了碳元素，因而被称为“双碳电池”，这种电池的能量密度将不低于任何锂电池。
该公司同时指出，在采用双碳性电池技术后，电池的充放电次数比锂离子电池多20次，释放的电量也比锂离子电池单体多4伏特。而且，在测试中，其充放电循环次数可达3000次，足以维持电动车10年以上的电池寿命。Power Japan还声称，在充放电过程中，这种电池的温度不会发生太大变化，大大减少了爆炸或起火的危险。
我们可以看到，尽管双碳电池的潜力不像锂空气电池那样巨大，但如果验证为真的话，它对电动车市场的影响也不会逊色太多。
谁将成为未来电动车行业的霸主，哪种技术会成为新的主流，现在的我们都不得而知。对于电动车行业来说，任何革命都会带来一个突破的契机，从而让电动车在占领未来市场的道路上走得更加坚稳。
(作者为中国科学院教授)
