美國“加快普及電動汽車”

 

　　2016年7月，美國聯邦政府發布了關于“加快普及電動汽車”計劃的聲明，旨在通過政府與私營部門合作，推廣電動汽車和加強充電基礎設施建設，以應對氣候變化、增加清潔能源使用并減少對石油的依賴。主要執行內容包括以下幾個部分：

 

　　能源部貸款項目辦公室將為簽署合約的46家單位提供高達45億美元的貸款擔保來支持和推動電動汽車充電基礎設施的革新。

 

　　能源部和交通部已就2020年全國電動汽車的快速充電站網絡達成合作協議，共同推動電動汽車充電走廊的部署和建設，推進美國地面交通固定計劃(FAST) 的執行。

 

　　聯邦可持續發展辦公室邀請地方政府與聯邦政府合并電動汽車和充電基礎設施的購買及安裝需求，以降低購買成本，擴展技術可用性，提高汽車制造商對需求的確定性。

 

　　白宮科技政策辦公室將舉辦“電動汽車編程馬拉松”來融合科學研究和軟件開發，以推動電動汽車的技術革新，增強數據訪問;能源部與合作單位將共同開展電動汽車350 kW、10分鐘直流快速充電的技術可行性研究(計劃2016年底完成);成立由能源部西北太平洋國家實驗室牽頭的“電池500聯盟”，旨在研發出能量密度高達500瓦時/公斤的電動汽車用鋰電池。

 

　　出版電動汽車和充電站相關聯邦基金財政資助和技術幫助的指南，有35家新機構簽署了能源部的工作場所充電計劃，并承諾為其員工提供電動汽車充電接口。

 

　　其中，在“電池500聯盟”項目中，美國能源部將在今后5年里每年為這個聯盟提供1000萬美元的資金，贊助材料與界面、電極結構、電池設計與一體化三個重點研究方向，并將把資金中的20%用來支持電池技術領域的小型“種子”研發項目。聯盟的目標是通過開發新型高能量密度材料，將電動汽車所用鋰電池的重量能量密度提高到500瓦時/公斤，循環使用壽命達到1000次，即在提高能量密度的同時減輕電動汽車的重量和體積，并加倍延長一次充電后的行駛里程，大幅降低電動汽車價格(低于100美元/千瓦時)。除了打造高效率、平價電動車電池的實時目標，聯盟總監劉俊預期聯盟的研發成果能有助于智能電網的能量儲存。

 

　　此外，充電技術是連接電動汽車和充電設施的關鍵紐帶，在“加快普及電動汽車”計劃的簽約單位中，寶馬、福特、大眾、奔馳、日產以及特斯拉都承諾將加大電動汽車及電池的投資及研發力度，尤其是直流快速充電技術，并幫助合作者在合適的地點安裝電動汽車充電裝置。夏威夷電力公司也承諾與其合作伙伴全力支持電動汽車項目，繼續安裝更多的直流快速充電站，并研究電動汽車充電更多的管理和政策需求，以便完成其2045年之前實現電網100%可再生能源的目標。

 

　　美國“加快普及電動汽車”計劃所帶來的影響及技術發展的預測

 

　　美國“加快普及電動汽車”計劃將對整個新能源電動汽車產業帶來重要影響。從“加快普及電動汽車”計劃可以看出美國政府重視發展三類技術方向：高能量密度(≥500 Wh/kg)鋰電池技術;電動汽車快速充電技術(350 kW、10分鐘);電池領域的新型原創技術(小型“種子”研發項目)。

 

　　高能量密度的要求將首先帶動高能量密度電極材料體系和電池優化設計的研究，如將基于“試錯法”的材料篩選模式過渡到基于材料基礎物性參數的理性設計階段，將材料本體性能提升過渡到3D結構設計、多維復合等多元研發階段，將電池反應器獨立設計過渡到基于電池電化學反應建模的理性開發階段等等，通過高能量密度電池材料的開發、電池組裝方式的優化、電池模塊的高功率設計等獲得電池綜合性能的突破。

 

　　而從技術層面分析，“加快普及電動汽車”計劃中350 kW、10分鐘的直流快充電池技術意味著充電系統能在10分鐘內為汽車充滿續航200英里的電量，這將對很多應用領域產生革命性影響，特別是針對大倍率充電相關的關鍵技術瓶頸研發(50 kW以上)，這將大大提高電動汽車在世界范圍內的使用。此外，該計劃對小型“種子”電池研發項目的大力支持，有助于激發研究人員對新型原創電池技術的開發和電池新理論的探索，推動儲能技術的原始創新研究。

 

　　未來在大規模推廣電動汽車的同時，將會加大對鋰資源開采和提純技術的需求，同時也有可能帶來鋰資源緊缺的情況，勢必對各國鋰資源的戰略儲備策略產生影響。

 

　　目前來看，鋰礦資源的全球儲量豐富，超過60%的鋰礦資源尚未得到勘探開發，潛在資源量巨大，分布也高度集中。就資源量而言，全球59%的資源量集中在“鋰三角”國家，即智利、玻利維亞和阿根廷三國，中國和美國的鋰資源量分別占世界總量的13.3%和13.5%。SQM、Chemetall、FMC和Talison是國際上開采鋰礦的四大巨頭公司，壟斷了全球最優質的鋰礦資源。

 

　　我國鋰礦資源雖儲量豐富，但高品位鋰礦少、低品位礦多。從全球格局看，我國鋰礦企業無國際定價權，處于下游有壓價風險、上游受巨頭壓制的產業鏈弱勢環節，鋰礦資源的儲備和開采提純技術需要得到重視。

 

　　此外，為了避免電池材料對環境的污染以及降低電池的全產業鏈生產成本，動力鋰電池的回收再利用必將成為業界的關注重點。根據歐盟第2006/66/EC號電池指令，要求2016年電池回收率達到45%，根據電池總類的不同，循環再利用率應達到50%—75%。但是現有鋰電池通常采用高精密涂布技術制作極片，電池報廢后回收處理極度困難，通常需要經過電池拆解—機械粉碎—濕法或火法冶金等幾個環節，回收成本很高。因此，未來必須開發可回收的新型動力電池和環保高效的回收處理技術。

 

　　若干啟示與建議

 

　　電動汽車以及動力鋰電池技術已經受到美聯邦政府的高度重視，并且美國已經在全球鋰資源控制及技術投資方面進行了戰略布局。我國新能源汽車產業要取得國際競爭優勢，需要高度重視以下三個技術方向，并予以支持取得突破：

 

　　(1)基于可回收理念設計的新型鋰電池技術

 

　　發展鋰電池的循環再利用技術有助于我國降低對鋰礦資源的依賴并掌握新能源汽車產業可持續發展的主動權。

 

　　目前的動力鋰電池是從手機電池等微小型電池發展而來，動力電池結構設計并沒有考慮回收處理的環節，導致回收成本高、污染大，這將給我國新能源汽車的可持續發展帶來嚴峻的挑戰。因此，開發易回收的新型動力電池技術具有重要的戰略意義。基于易回收理念設計的鋰漿料電池是近年來開發的一種低成本、大容量、長壽命的新型鋰電池技術，有望在電動汽車和電力儲能領域發揮重要作用，目前處于基礎關鍵技術研究階段。漿料儲能方式非常有利于鋰電池的回收再處理，將是以后重點發展的儲能動力電池技術方向。

 

　　(2)將電池能量密度和功率密度矛盾解耦的高能快充電池技術

 

　　美國政府“加快普及電動汽車”計劃不僅高度重視高能量密度(≥500Wh/kg)鋰電池技術的研發，同時非常關注電動汽車的快速充電技術(350 kW、10分鐘)。

 

　　基于現有的電池結構和材料技術，業界普遍認為電池的高能量密度和高功率密度是一對不可調和的矛盾。但是，將電池能量密度和功率密度矛盾解耦在技術上是有可能的，需要電池材料和結構技術的創新突破。國外已經在重點布局開發高能快充電池技術，而我國相關技術研發和支持嚴重落后國際水平，需要得到高度重視。未來，將電池能量密度和功率密度矛盾解耦的高能快充電池技術將是新能源汽車動力電池發展的一個重要方向。

 

　　(3)電動汽車VEG模式的供能系統

 

　　目前推廣的新能源汽車充電站/充電樁的充電模式很難滿足電動汽車的大規模快速充電需求，在未來發展電動汽車VEG(Vehicle-Energy Station-Grid)模式具有很大的市場潛力。

 

　　在VEG模式中，電動汽車安裝有能夠安全快速充電的動力電池，充電方式由用戶自主選擇——可以在能量站快充，也可以在停車場或家庭車庫進行慢充。分布式能量站類似于現在的加油站，能量站安裝有低成本長壽命的MW級儲能電池系統，能夠從電網充電儲存電量后，給電動汽車快速充電;同時，能量站能夠與電網互動，用于電力調峰或調頻。

圖片來源：找項目網