編者按
新能源汽車市場爆發的同時，挑戰與質疑接踵而來。本報在2021年12月20日3版，邀請中國科學院院士、中國電動汽車百人會副理事長歐陽明高圍繞大眾關注的熱點話題進行重點答疑。本期，歐陽明高院士將繼續剖析電池技術的可持續發展，為讀者呈現“小電池大戰略”的發展藍圖。
2021年新能源汽車市場化進入爆發式增長新階段，昭示汽車工業正經歷大變局。在迎來巨大時代機遇的同時，該領域也遇到一系列挑戰，尤其是電池技術、材料資源的可持續發展問題，這背后還有快充、快換與車網互動以及綠色智慧能源問題等。
鋰電池：2030年前仍占據主導地位
我們要一直用鋰電池嗎？會不會有其他電池取代鋰電池？這是動力電池技術可持續發展問題。
首先，鋰電池還會用很久。當前鋰電池比能量上限約為300瓦時/千克，新型鋰電池可達350~400瓦時/千克。預計2025年會出現與現有液態電解質鋰電池比能量大致相當的第一代全固態電池。2030年后出現第二代采用新型正負極材料的全固態電池，比能量將提升至500瓦時/千克，還會有高比能量鋰—硫電池、金屬空氣電池等。最近出現的鈉離子電池，各方面性能還不能滿足高性能汽車使用要求。預計到2035年，鈉離子電池、鉀離子電池性能會大幅提升，比能量將達到300瓦時/千克左右。
從電池產業可持續發展角度看，鋰電池在2030年之前仍占主導地位。粗略預測，第一代全固態電池（產業化后）占市場比例接近1%的時間點約在2030年。2035年之后，新一代固態電池及鉀、鎂、鈉、鋰—硫等各類電池會進入市場。到2050年，液態鋰離子電池或將減少至約20%。
電池的全鏈條智能化是一大趨勢。現在的材料合成與電池設計仍主要采用“試錯法”，導致實際生產的電池難以達到理論上的比容量。智能化手段可以使設計進一步優化，比如基于材料基因組學和人工智能的材料篩選和設計，再利用智能制造、應用過程中的智能電池管理，最后智能回收，實現全過程智能化。這是歐盟的2030年電池計劃的核心思想。
通過智能設計，電池實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。科技的潛力巨大，動力電池的可持續發展是有保障的。
超快充電：應主要用于高速補電
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，無法滿足長續航要求。
現在長續航的電動汽車越來越多，裝的都是強調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；車載電氣系統的電壓要提高，如增加到800伏以便在超大功率充電時減小總充電電流；最好采用儲能電池放電以達到350千瓦的高功率從而減輕電網負荷。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揮。充電過程最易發生安全事故，主要原因是快充導致鋰枝晶造成內短路。為此，除了需要開發無析鋰的快充技術外，還要選擇超快充電區間和幅度。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、發熱等很多問題，得不償失。
超快充電應當主要用在高速公路應急補電。比如續航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；二是跟換電結合，商用車快速換電這個趨勢已非常明顯。
總體來看，目前高出勤率、重型載荷、短途運輸的卡車做換電最火，而礦區、建筑工地、鋼鐵廠、港口等是首先要進行的，將來逐步擴展到城市和高速公路。
我們認為，快速充電和快速換電相結合，卡車快換、轎車快充、換電備用電池給轎車快充，將是一個優勢互補資源共享的解決方案。而且，這種快充快換站的使用習慣、頻率及位置與燃油車加油很接近。此外，能源企業非常適合在加油站建設快充、快換耦合站，這對其而言是一個比較合理的商業模式和轉型方向，有極大前景。
車網互動：未來有望形成“電動車股市”
據統計，目前家用電動汽車75%的電量通過慢充獲得。隨著電動車數量快速增加，慢充會給電力負荷帶來很大壓力，無序充電的時代即將結束。未來將進入有序充電階段，后臺將通過電價機制把充電調整到電力負荷低谷區間，目前深圳已有示范。管理充電的信息網會智能調度電網的充電能量，能源互聯網的雛形漸顯。
再進一步就是雙向發展：電動汽車電池既充電又放電。比如，電動汽車與建筑連接構成一個能源系統，可以給建筑供電。風電、光伏發電波動大，電足的時候可以先儲存，缺電時再放出，如此一來儲能的作用很大，電價差也會越來越大，電動汽車作為儲能裝置的價值將會顯現。
2025年電池汽車的電池容量將超過20億千瓦時，以2040年3億輛電動車保有量計，每輛車平均65度電，總計約200億度電，這是我國一天所需的總電量。這一巨大儲能系統將產生巨大的碳減排潛力。初步估算，其碳減排潛力高達10億~20億噸，數量十分驚人。總之，電動汽車儲能的潛力極大，會是一個巨大的藍海市場。
可能會有人提出疑問，電動汽車是分散、移動、隨機使用的，充電裝置也不是到處都有，這種理想的結果如何實現？
首先要加快普及慢充設施。理想狀態是車停下來就能接入電網，這樣才能促成儲能和電網互動功能的實現。比如利用車載雙向充電機，車下只需要一個智能插座解決結算問題就可以。從技術角度看，只要有標準規范，安全是有保障的，關鍵是如何實施。
2025年之前主要是有序充電，2025~2030年會發展出與建筑和微網的互動，2030年之后會與配電網互動。從系統分級看，底層是充放電的硬件設施，中層是大量電動汽車儲能和微網聚合商，上層是政府介入的調度管理平臺。
以可再生能源為主體的電力系統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市場，充放電如同股票買賣，電價低就充、電價高就賣，通過經濟激勵手段實現對波動性風電與光伏等可再生能源的自動調節與平衡。對個人而言，用手機APP就可以搞定，這是未來綠色智能城市的一個美好愿景。（作者系中國科學院院士歐陽明高）
來源：中國科學報
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