編者按
新能源汽車市場爆發(fā)的同時,挑戰(zhàn)與質(zhì)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(guān)注的熱點話題進行重點答疑。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)展藍圖。
2021年新能源汽車市場化進入爆發(fā)式增長新階段,昭示汽車工業(yè)正經(jīng)歷大變局。在迎來巨大時代機遇的同時,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(yù)計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?shù)牡谝淮虘B(tài)電池。2030年后出現(xiàn)第二代采用新型正負極材料的全固態(tài)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(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(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%的時間點約在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)計仍主要采用“試錯法”,導(dǎo)致實際生產(chǎn)的電池難以達到理論上的比容量。智能化手段可以使設(shè)計進一步優(yōu)化,比如基于材料基因組學和人工智能的材料篩選和設(shè)計,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,實現(xiàn)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(shè)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??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(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(wǎng)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(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)當主要用在高速公路應(yīng)急補電。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?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(jié)合,卡車快換、轎車快充、換電備用電池給轎車快充,將是一個優(yōu)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(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,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,慢充會給電力負荷帶來很大壓力,無序充電的時代即將結(jié)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(diào)整到電力負荷低谷區(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)成一個能源系統(tǒng),可以給建筑供電。風電、光伏發(fā)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(xiàn)。
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(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10億~20億噸,數(shù)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(jié)果如何實現(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)互動功能的實現(xiàn)。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(jié)算問題就可以。從技術(shù)角度看,只要有標準規(guī)范,安全是有保障的,關(guān)鍵是如何實施。
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市場,充放電如同股票買賣,電價低就充、電價高就賣,通過經(jīng)濟激勵手段實現(xiàn)對波動性風電與光伏等可再生能源的自動調(diào)節(jié)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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