編者按
新能源汽車市場爆發(fā)的同時(shí)，挑戰(zhàn)與質(zhì)疑接踵而來。本報(bào)在2021年12月20日3版，邀請中國科學(xué)院院士、中國電動汽車百人會副理事長歐陽明高圍繞大眾關(guān)注的熱點(diǎn)話題進(jìn)行重點(diǎn)答疑。本期，歐陽明高院士將繼續(xù)剖析電池技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展，為讀者呈現(xiàn)“小電池大戰(zhàn)略”的發(fā)展藍(lán)圖。
2021年新能源汽車市場化進(jìn)入爆發(fā)式增長新階段，昭示汽車工業(yè)正經(jīng)歷大變局。在迎來巨大時(shí)代機(jī)遇的同時(shí)，該領(lǐng)域也遇到一系列挑戰(zhàn)，尤其是電池技術(shù)、材料資源的可持續(xù)發(fā)展問題，這背后還有快充、快換與車網(wǎng)互動以及綠色智慧能源問題等。
鋰電池：2030年前仍占據(jù)主導(dǎo)地位
我們要一直用鋰電池嗎？會不會有其他電池取代鋰電池？這是動力電池技術(shù)可持續(xù)發(fā)展問題。
首先，鋰電池還會用很久。當(dāng)前鋰電池比能量上限約為300瓦時(shí)/千克，新型鋰電池可達(dá)350~400瓦時(shí)/千克。預(yù)計(jì)2025年會出現(xiàn)與現(xiàn)有液態(tài)電解質(zhì)鋰電池比能量大致相當(dāng)?shù)牡谝淮虘B(tài)電池。2030年后出現(xiàn)第二代采用新型正負(fù)極材料的全固態(tài)電池，比能量將提升至500瓦時(shí)/千克，還會有高比能量鋰—硫電池、金屬空氣電池等。最近出現(xiàn)的鈉離子電池，各方面性能還不能滿足高性能汽車使用要求。預(yù)計(jì)到2035年，鈉離子電池、鉀離子電池性能會大幅提升，比能量將達(dá)到300瓦時(shí)/千克左右。
從電池產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展角度看，鋰電池在2030年之前仍占主導(dǎo)地位。粗略預(yù)測，第一代全固態(tài)電池（產(chǎn)業(yè)化后）占市場比例接近1%的時(shí)間點(diǎn)約在2030年。2035年之后，新一代固態(tài)電池及鉀、鎂、鈉、鋰—硫等各類電池會進(jìn)入市場。到2050年，液態(tài)鋰離子電池或?qū)p少至約20%。
電池的全鏈條智能化是一大趨勢。現(xiàn)在的材料合成與電池設(shè)計(jì)仍主要采用“試錯(cuò)法”，導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)的電池難以達(dá)到理論上的比容量。智能化手段可以使設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化，比如基于材料基因組學(xué)和人工智能的材料篩選和設(shè)計(jì)，再利用智能制造、應(yīng)用過程中的智能電池管理，最后智能回收，實(shí)現(xiàn)全過程智能化。這是歐盟的2030年電池計(jì)劃的核心思想。
通過智能設(shè)計(jì)，電池實(shí)際性能與理論值之間的差距可減少一半，智能回收可使回收原材料的利用率接近100%，全生命周期的碳足跡減少1/2?？萍嫉臐摿薮?，動力電池的可持續(xù)發(fā)展是有保障的。
超快充電：應(yīng)主要用于高速補(bǔ)電
人們對電動汽車仍不太滿意的是充電不如加油快。去年國慶假期，很多用戶抱怨電動車變成了“電動爹”。其實(shí)高功率型動力電池可以像加油一樣超快充電，但其比能量低，無法滿足長續(xù)航要求。
現(xiàn)在長續(xù)航的電動汽車越來越多，裝的都是強(qiáng)調(diào)高比能量的能量型動力電池，快充就不太容易了。比如350千瓦超快充電，5分鐘充接近30度電，還要解決很多問題：充電倍率太大，電池受不了；充電電流太大，車受不了；充電功率太大，電網(wǎng)受不了。為此，電池本身要具備快充能力，即較高的峰值充電倍率；車載電氣系統(tǒng)的電壓要提高，如增加到800伏以便在超大功率充電時(shí)減小總充電電流；最好采用儲能電池放電以達(dá)到350千瓦的高功率從而減輕電網(wǎng)負(fù)荷。這樣才能便于超快充電。
這其中最難的還是動力電池本身快充潛力的發(fā)揮。充電過程最易發(fā)生安全事故，主要原因是快充導(dǎo)致鋰枝晶造成內(nèi)短路。為此，除了需要開發(fā)無析鋰的快充技術(shù)外，還要選擇超快充電區(qū)間和幅度。研究表明，在電量一半以下，5分鐘充1/3的電量較為適宜；充滿電會遇到安全、壽命、發(fā)熱等很多問題，得不償失。
超快充電應(yīng)當(dāng)主要用在高速公路應(yīng)急補(bǔ)電。比如續(xù)航600公里的車，5分鐘充1/3電量就是200公里，這是比較科學(xué)合理的。此外還要考慮全氣候，比如冬天要加熱，夏天要散熱。所以必須配備快速加熱、快速冷卻。
基于儲能電池放電的超級快充其儲能電池從哪來？有兩種辦法，一是直接帶儲能的充電站，但成本偏高；二是跟換電結(jié)合，商用車快速換電這個(gè)趨勢已非常明顯。
總體來看，目前高出勤率、重型載荷、短途運(yùn)輸?shù)目ㄜ囎鰮Q電最火，而礦區(qū)、建筑工地、鋼鐵廠、港口等是首先要進(jìn)行的，將來逐步擴(kuò)展到城市和高速公路。
我們認(rèn)為，快速充電和快速換電相結(jié)合，卡車快換、轎車快充、換電備用電池給轎車快充，將是一個(gè)優(yōu)勢互補(bǔ)資源共享的解決方案。而且，這種快充快換站的使用習(xí)慣、頻率及位置與燃油車加油很接近。此外，能源企業(yè)非常適合在加油站建設(shè)快充、快換耦合站，這對其而言是一個(gè)比較合理的商業(yè)模式和轉(zhuǎn)型方向，有極大前景。
車網(wǎng)互動：未來有望形成“電動車股市”
據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前家用電動汽車75%的電量通過慢充獲得。隨著電動車數(shù)量快速增加，慢充會給電力負(fù)荷帶來很大壓力，無序充電的時(shí)代即將結(jié)束。未來將進(jìn)入有序充電階段，后臺將通過電價(jià)機(jī)制把充電調(diào)整到電力負(fù)荷低谷區(qū)間，目前深圳已有示范。管理充電的信息網(wǎng)會智能調(diào)度電網(wǎng)的充電能量，能源互聯(lián)網(wǎng)的雛形漸顯。
再進(jìn)一步就是雙向發(fā)展：電動汽車電池既充電又放電。比如，電動汽車與建筑連接構(gòu)成一個(gè)能源系統(tǒng)，可以給建筑供電。風(fēng)電、光伏發(fā)電波動大，電足的時(shí)候可以先儲存，缺電時(shí)再放出，如此一來儲能的作用很大，電價(jià)差也會越來越大，電動汽車作為儲能裝置的價(jià)值將會顯現(xiàn)。
2025年電池汽車的電池容量將超過20億千瓦時(shí)，以2040年3億輛電動車保有量計(jì)，每輛車平均65度電，總計(jì)約200億度電，這是我國一天所需的總電量。這一巨大儲能系統(tǒng)將產(chǎn)生巨大的碳減排潛力。初步估算，其碳減排潛力高達(dá)10億~20億噸，數(shù)量十分驚人?？傊?，電動汽車儲能的潛力極大，會是一個(gè)巨大的藍(lán)海市場。
可能會有人提出疑問，電動汽車是分散、移動、隨機(jī)使用的，充電裝置也不是到處都有，這種理想的結(jié)果如何實(shí)現(xiàn)？
首先要加快普及慢充設(shè)施。理想狀態(tài)是車停下來就能接入電網(wǎng)，這樣才能促成儲能和電網(wǎng)互動功能的實(shí)現(xiàn)。比如利用車載雙向充電機(jī)，車下只需要一個(gè)智能插座解決結(jié)算問題就可以。從技術(shù)角度看，只要有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，安全是有保障的，關(guān)鍵是如何實(shí)施。
2025年之前主要是有序充電，2025~2030年會發(fā)展出與建筑和微網(wǎng)的互動，2030年之后會與配電網(wǎng)互動。從系統(tǒng)分級看，底層是充放電的硬件設(shè)施，中層是大量電動汽車儲能和微網(wǎng)聚合商，上層是政府介入的調(diào)度管理平臺。
以可再生能源為主體的電力系統(tǒng)的特征將會是分布式、市場化為主。電動汽車充放電將會是一個(gè)市場，充放電如同股票買賣，電價(jià)低就充、電價(jià)高就賣，通過經(jīng)濟(jì)激勵(lì)手段實(shí)現(xiàn)對波動性風(fēng)電與光伏等可再生能源的自動調(diào)節(jié)與平衡。對個(gè)人而言，用手機(jī)APP就可以搞定，這是未來綠色智能城市的一個(gè)美好愿景。（作者系中國科學(xué)院院士歐陽明高）
來源：中國科學(xué)報(bào)
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