美國加快普及電動汽車計劃及其啟示

　　1.美國“加快普及電動汽車”計劃

　　2016年7月，美國聯(lián)邦政府發(fā)布了關(guān)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以應(yīng)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(zhí)行內(nèi)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(chǔ)設(shè)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(wǎng)絡(luò)達成合作協(xié)議，共同推動電動汽車充電走廊的部署和建設(shè)，推進美國地面交通固定計劃（FAST) 的執(zhí)行。

　　聯(lián)邦可持續(xù)發(fā)展辦公室邀請地方政府與聯(lián)邦政府合并電動汽車和充電基礎(chǔ)設(shè)施的購買及安裝需求，以降低購買成本，擴展技術(shù)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(xué)研究和軟件開發(fā)，以推動電動汽車的技術(shù)革新，增強數(shù)據(jù)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(shù)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(lián)盟”，旨在研發(fā)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(guān)聯(lián)邦基金財政資助和技術(shù)幫助的指南，有35家新機構(gòu)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(lián)盟”項目中，美國能源部將在今后5年里每年為這個聯(lián)盟提供1000萬美元的資金，贊助材料與界面、電極結(jié)構(gòu)、電池設(shè)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(shù)領(lǐng)域的小型“種子”研發(fā)項目。聯(lián)盟的目標是通過開發(fā)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(huán)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(lián)盟總監(jiān)劉俊預(yù)期聯(lián)盟的研發(fā)成果能有助于智能電網(wǎng)的能量儲存。

　　此外，充電技術(shù)是連接電動汽車和充電設(shè)施的關(guān)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(chǎn)以及特斯拉都承諾將加大電動汽車及電池的投資及研發(fā)力度，尤其是直流快速充電技術(shù)，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(xù)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(xiàn)電網(wǎng)100%可再生能源的目標。

　　2.“加快普及電動汽車”計劃所帶來的影響及技術(shù)發(fā)展的預(yù)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(chǎn)業(yè)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(fā)展三類技術(shù)方向：高能量密度（≥500 Wh/kg）鋰電池技術(shù)；電動汽車快速充電技術(shù)（350 kW、10分鐘）；電池領(lǐng)域的新型原創(chuàng)技術(shù)（小型“種子”研發(fā)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(yōu)化設(shè)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(chǔ)物性參數(shù)的理性設(shè)計階段，將材料本體性能提升過渡到3D結(jié)構(gòu)設(shè)計、多維復(fù)合等多元研發(fā)階段，將電池反應(yīng)器獨立設(shè)計過渡到基于電池電化學(xué)反應(yīng)建模的理性開發(fā)階段等等，通過高能量密度電池材料的開發(fā)、電池組裝方式的優(yōu)化、電池模塊的高功率設(shè)計等獲得電池綜合性能的突破。而從技術(shù)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(shù)意味著充電系統(tǒng)能在10分鐘內(nèi)為汽車充滿續(xù)航200英里的電量，這將對很多應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生革命性影響，特別是針對大倍率充電相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸研發(fā)（50 kW以上），這將大大提高電動汽車在世界范圍內(nèi)的使用。此外，該計劃對小型“種子”電池研發(fā)項目的大力支持，有助于激發(fā)研究人員對新型原創(chuàng)電池技術(shù)的開發(fā)和電池新理論的探索，推動儲能技術(shù)的原始創(chuàng)新研究。

　　未來在大規(guī)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(shù)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(zhàn)略儲備策略產(chǎn)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(fā)，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(yōu)質(zhì)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(yè)無國際定價權(quán)，處于下游有壓價風險、上游受巨頭壓制的產(chǎn)業(yè)鏈弱勢環(huán)節(jié)，鋰礦資源的儲備和開采提純技術(shù)需要得到重視。

　　此外，為了避免電池材料對環(huán)境的污染以及降低電池的全產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)成本，動力鋰電池的回收再利用必將成為業(yè)界的關(guān)注重點。根據(jù)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(jù)電池總類的不同，循環(huán)再利用率應(yīng)達到50%—75%。但是現(xiàn)有鋰電池通常采用高精密涂布技術(shù)制作極片，電池報廢后回收處理極度困難，通常需要經(jīng)過電池拆解—機械粉碎—濕法或火法冶金等幾個環(huán)節(jié)，回收成本很高。。因此，未來必須開發(fā)可回收的新型動力電池和環(huán)保高效的回收處理技術(shù)。

　　3.若干啟示與建議

　　電動汽車以及動力鋰電池技術(shù)已經(jīng)受到美聯(lián)邦政府的高度重視，并且美國已經(jīng)在全球鋰資源控制及技術(shù)投資方面進行了戰(zhàn)略布局。我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)要取得國際競爭優(yōu)勢，需要高度重視以下三個技術(shù)方向，并予以支持取得突破：

　　（1）基于可回收理念設(shè)計的新型鋰電池技術(shù)

　　發(fā)展鋰電池的循環(huán)再利用技術(shù)有助于我國降低對鋰礦資源的依賴并掌握新能源汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主動權(quán)。目前的動力鋰電池是從手機電池等微小型電池發(fā)展而來，動力電池結(jié)構(gòu)設(shè)計并沒有考慮回收處理的環(huán)節(jié)，導(dǎo)致回收成本高、污染大，這將給我國新能源汽車的可持續(xù)發(fā)展帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)易回收的新型動力電池技術(shù)具有重要的戰(zhàn)略意義?；谝谆厥绽砟钤O(shè)計的鋰漿料電池是近年來開發(fā)的一種低成本、大容量、長壽命的新型鋰電池技術(shù)，有望在電動汽車和電力儲能領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，目前處于基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)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(fā)展的儲能動力電池技術(shù)方向。

　?。?）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(shù)

　　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(shù)的研發(fā)，同時非常關(guān)注電動汽車的快速充電技術(shù)（350 kW、10分鐘）。基于現(xiàn)有的電池結(jié)構(gòu)和材料技術(shù)，業(yè)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(diào)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(shù)上是有可能的，需要電池材料和結(jié)構(gòu)技術(shù)的創(chuàng)新突破。國外已經(jīng)在重點布局開發(fā)高能快充電池技術(shù)，而我國相關(guān)技術(shù)研發(fā)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(shù)將是新能源汽車動力電池發(fā)展的一個重要方向。

　　（3）電動汽車VEG模式的供能系統(tǒng)

　　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(guī)?？焖俪潆娦枨?，在未來發(fā)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(xiàn)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(tǒng)，能夠從電網(wǎng)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(wǎng)互動，用于電力調(diào)峰或調(diào)頻。（陳永翀 劉丹丹 劉昊 作者單位：中國科學(xué)院電工研究所儲能技術(shù)研究組、中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會）