新能源動(dòng)力電池的極限在哪里

2021年新能源汽車市場(chǎng)化進(jìn)入爆發(fā)式增長(zhǎng)新階段，昭示汽車工業(yè)正經(jīng)歷大變局。在迎來(lái)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(wèn)題，這背后還有快充、快換與車網(wǎng)互動(dòng)以及綠色智慧能源問(wèn)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(huì)不會(huì)有其他電池取代鋰電池?這是動(dòng)力電池技術(shù)可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題。

首先，鋰電池還會(huì)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(huì)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(huì)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(huì)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(cè)，第一代全固態(tài)電池(產(chǎn)業(yè)化后)占市場(chǎng)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(huì)進(jìn)入市場(chǎng)。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(shì)?，F(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(guò)程中的智能電池管理，最后智能回收，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程智能化。這是歐盟的2030年電池計(jì)劃的核心思想。

通過(guò)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(dòng)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(duì)電動(dòng)汽車仍不太滿意的是充電不如加油快。去年國(guó)慶假期，很多用戶抱怨電動(dòng)車變成了“電動(dòng)爹”。其實(shí)高功率型動(dòng)力電池可以像加油一樣超快充電，但其比能量低，無(wú)法滿足長(zhǎng)續(xù)航要求。

現(xiàn)在長(zhǎng)續(xù)航的電動(dòng)汽車越來(lái)越多，裝的都是強(qiáng)調(diào)高比能量的能量型動(dòng)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(wèn)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(chǔ)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(dòng)力電池本身快充潛力的發(fā)揮。充電過(guò)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(wú)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(huì)遇到安全、壽命、發(fā)熱等很多問(wèn)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(chǔ)能電池放電的超級(jí)快充其儲(chǔ)能電池從哪來(lái)?有兩種辦法，一是直接帶儲(chǔ)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(shì)已非常明顯。

總體來(lái)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(lái)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(shì)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(duì)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(dòng)：未來(lái)有望形成“電動(dòng)車股市”

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前家用電動(dòng)汽車75%的電量通過(guò)慢充獲得。隨著電動(dòng)車數(shù)量快速增加，慢充會(huì)給電力負(fù)荷帶來(lái)很大壓力，無(wú)序充電的時(shí)代即將結(jié)束。未來(lái)將進(jìn)入有序充電階段，后臺(tái)將通過(guò)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(huì)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(dòng)汽車電池既充電又放電。比如，電動(dòng)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(dòng)大，電足的時(shí)候可以先儲(chǔ)存，缺電時(shí)再放出，如此一來(lái)儲(chǔ)能的作用很大，電價(jià)差也會(huì)越來(lái)越大，電動(dòng)汽車作為儲(chǔ)能裝置的價(jià)值將會(huì)顯現(xiàn)。

2025年電池汽車的電池容量將超過(guò)20億千瓦時(shí)，以2040年3億輛電動(dòng)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(guó)一天所需的總電量。這一巨大儲(chǔ)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。總之，電動(dòng)汽車儲(chǔ)能的潛力極大，會(huì)是一個(gè)巨大的藍(lán)海市場(chǎng)。

可能會(huì)有人提出疑問(wèn)，電動(dòng)汽車是分散、移動(dòng)、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(lái)就能接入電網(wǎng)，這樣才能促成儲(chǔ)能和電網(wǎng)互動(dòng)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(wèn)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(huì)發(fā)展出與建筑和微網(wǎng)的互動(dòng)，2030年之后會(huì)與配電網(wǎng)互動(dòng)。從系統(tǒng)分級(jí)看，底層是充放電的硬件設(shè)施，中層是大量電動(dòng)汽車儲(chǔ)能和微網(wǎng)聚合商，上層是政府介入的調(diào)度管理平臺(tái)。

以可再生能源為主體的電力系統(tǒng)的特征將會(huì)是分布式、市場(chǎng)化為主。電動(dòng)汽車充放電將會(huì)是一個(gè)市場(chǎng)，充放電如同股票買賣，電價(jià)低就充、電價(jià)高就賣，通過(guò)經(jīng)濟(jì)激勵(lì)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)波動(dòng)性風(fēng)電與光伏等可再生能源的自動(dòng)調(diào)節(jié)與平衡。對(duì)個(gè)人而言，用手機(jī)APP就可以搞定，這是未來(lái)綠色智能城市的一個(gè)美好愿景。