美國(guó)“加快普及電動(dòng)汽車”
2016年7月，美國(guó)聯(lián)邦政府發(fā)布了關(guān)于“加快普及電動(dòng)汽車”計(jì)劃的聲明，旨在通過(guò)政府與私營(yíng)部門合作，推廣電動(dòng)汽車和加強(qiáng)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以應(yīng)對(duì)氣候變化、增加清潔能源使用并減少對(duì)石油的依賴。主要執(zhí)行內(nèi)容包括以下幾個(gè)部分：
能源部貸款項(xiàng)目辦公室將為簽署合約的46家單位提供高達(dá)45億美元的貸款擔(dān)保來(lái)支持和推動(dòng)電動(dòng)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(guó)電動(dòng)汽車的快速充電站網(wǎng)絡(luò)達(dá)成合作協(xié)議，共同推動(dòng)電動(dòng)汽車充電走廊的部署和建設(shè)，推進(jìn)美國(guó)地面交通固定計(jì)劃(FAST) 的執(zhí)行。
聯(lián)邦可持續(xù)發(fā)展辦公室邀請(qǐng)地方政府與聯(lián)邦政府合并電動(dòng)汽車和充電基礎(chǔ)設(shè)施的購(gòu)買及安裝需求，以降低購(gòu)買成本，擴(kuò)展技術(shù)可用性，提高汽車制造商對(duì)需求的確定性。
白宮科技政策辦公室將舉辦“電動(dòng)汽車編程馬拉松”來(lái)融合科學(xué)研究和軟件開(kāi)發(fā)，以推動(dòng)電動(dòng)汽車的技術(shù)革新，增強(qiáng)數(shù)據(jù)訪問(wèn);能源部與合作單位將共同開(kāi)展電動(dòng)汽車350 kW、10分鐘直流快速充電的技術(shù)可行性研究(計(jì)劃2016年底完成);成立由能源部西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室牽頭的“電池500聯(lián)盟”，旨在研發(fā)出能量密度高達(dá)500瓦時(shí)/公斤的電動(dòng)汽車用鋰電池。
出版電動(dòng)汽車和充電站相關(guān)聯(lián)邦基金財(cái)政資助和技術(shù)幫助的指南，有35家新機(jī)構(gòu)簽署了能源部的工作場(chǎng)所充電計(jì)劃，并承諾為其員工提供電動(dòng)汽車充電接口。
其中，在“電池500聯(lián)盟”項(xiàng)目中，美國(guó)能源部將在今后5年里每年為這個(gè)聯(lián)盟提供1000萬(wàn)美元的資金，贊助材料與界面、電極結(jié)構(gòu)、電池設(shè)計(jì)與一體化三個(gè)重點(diǎn)研究方向，并將把資金中的20%用來(lái)支持電池技術(shù)領(lǐng)域的小型“種子”研發(fā)項(xiàng)目。聯(lián)盟的目標(biāo)是通過(guò)開(kāi)發(fā)新型高能量密度材料，將電動(dòng)汽車所用鋰電池的重量能量密度提高到500瓦時(shí)/公斤，循環(huán)使用壽命達(dá)到1000次，即在提高能量密度的同時(shí)減輕電動(dòng)汽車的重量和體積，并加倍延長(zhǎng)一次充電后的行駛里程，大幅降低電動(dòng)汽車價(jià)格(低于100美元/千瓦時(shí))。除了打造高效率、平價(jià)電動(dòng)車電池的實(shí)時(shí)目標(biāo)，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?jī)?chǔ)存。
此外，充電技術(shù)是連接電動(dòng)汽車和充電設(shè)施的關(guān)鍵紐帶，在“加快普及電動(dòng)汽車”計(jì)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(dòng)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(diǎn)安裝電動(dòng)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(dòng)汽車項(xiàng)目，繼續(xù)安裝更多的直流快速充電站，并研究電動(dòng)汽車充電更多的管理和政策需求，以便完成其2045年之前實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)100%可再生能源的目標(biāo)。
美國(guó)“加快普及電動(dòng)汽車”計(jì)劃所帶來(lái)的影響及技術(shù)發(fā)展的預(yù)測(cè)
美國(guó)“加快普及電動(dòng)汽車”計(jì)劃將對(duì)整個(gè)新能源電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)帶來(lái)重要影響。從“加快普及電動(dòng)汽車”計(jì)劃可以看出美國(guó)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(dòng)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(xiàng)目)。
高能量密度的要求將首先帶動(dòng)高能量密度電極材料體系和電池優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，如將基于“試錯(cuò)法”的材料篩選模式過(guò)渡到基于材料基礎(chǔ)物性參數(shù)的理性設(shè)計(jì)階段，將材料本體性能提升過(guò)渡到3D結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多維復(fù)合等多元研發(fā)階段，將電池反應(yīng)器獨(dú)立設(shè)計(jì)過(guò)渡到基于電池電化學(xué)反應(yīng)建模的理性開(kāi)發(fā)階段等等，通過(guò)高能量密度電池材料的開(kāi)發(fā)、電池組裝方式的優(yōu)化、電池模塊的高功率設(shè)計(jì)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(dòng)汽車”計(jì)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(duì)很多應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生革命性影響，特別是針對(duì)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(dòng)汽車在世界范圍內(nèi)的使用。此外，該計(jì)劃對(duì)小型“種子”電池研發(fā)項(xiàng)目的大力支持，有助于激發(fā)研究人員對(duì)新型原創(chuàng)電池技術(shù)的開(kāi)發(fā)和電池新理論的探索，推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)的原始創(chuàng)新研究。
未來(lái)在大規(guī)模推廣電動(dòng)汽車的同時(shí)，將會(huì)加大對(duì)鋰資源開(kāi)采和提純技術(shù)的需求，同時(shí)也有可能帶來(lái)鋰資源緊缺的情況，勢(shì)必對(duì)各國(guó)鋰資源的戰(zhàn)略儲(chǔ)備策略產(chǎn)生影響。
目前來(lái)看，鋰礦資源的全球儲(chǔ)量豐富，超過(guò)60%的鋰礦資源尚未得到勘探開(kāi)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(guó)家，即智利、玻利維亞和阿根廷三國(guó)，中國(guó)和美國(guó)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(guó)際上開(kāi)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(guó)鋰礦資源雖儲(chǔ)量豐富，但高品位鋰礦少、低品位礦多。從全球格局看，我國(guó)鋰礦企業(yè)無(wú)國(guó)際定價(jià)權(quán)，處于下游有壓價(jià)風(fēng)險(xiǎn)、上游受巨頭壓制的產(chǎn)業(yè)鏈弱勢(shì)環(huán)節(jié)，鋰礦資源的儲(chǔ)備和開(kāi)采提純技術(shù)需要得到重視。
此外，為了避免電池材料對(duì)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(dòng)力鋰電池的回收再利用必將成為業(yè)界的關(guān)注重點(diǎn)。根據(jù)歐盟第2006/66/EC號(hào)電池指令，要求2016年電池回收率達(dá)到45%，根據(jù)電池總類的不同，循環(huán)再利用率應(yīng)達(dá)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(bào)廢后回收處理極度困難，通常需要經(jīng)過(guò)電池拆解—機(jī)械粉碎—濕法或火法冶金等幾個(gè)環(huán)節(jié)，回收成本很高。因此，未來(lái)必須開(kāi)發(fā)可回收的新型動(dòng)力電池和環(huán)保高效的回收處理技術(shù)。
若干啟示與建議
電動(dòng)汽車以及動(dòng)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(guó)已經(jīng)在全球鋰資源控制及技術(shù)投資方面進(jìn)行了戰(zhàn)略布局。我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)要取得國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，需要高度重視以下三個(gè)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(jì)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(guó)降低對(duì)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(dòng)權(quán)。
目前的動(dòng)力鋰電池是從手機(jī)電池等微小型電池發(fā)展而來(lái)，動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并沒(méi)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(guó)新能源汽車的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，開(kāi)發(fā)易回收的新型動(dòng)力電池技術(shù)具有重要的戰(zhàn)略意義。基于易回收理念設(shè)計(jì)的鋰漿料電池是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一種低成本、大容量、長(zhǎng)壽命的新型鋰電池技術(shù)，有望在電動(dòng)汽車和電力儲(chǔ)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(chǔ)能方式非常有利于鋰電池的回收再處理，將是以后重點(diǎn)發(fā)展的儲(chǔ)能動(dòng)力電池技術(shù)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(shù)
美國(guó)政府“加快普及電動(dòng)汽車”計(jì)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(shí)非常關(guān)注電動(dòng)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(rèn)為電池的高能量密度和高功率密度是一對(duì)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(guó)外已經(jīng)在重點(diǎn)布局開(kāi)發(fā)高能快充電池技術(shù)，而我國(guó)相關(guān)技術(shù)研發(fā)和支持嚴(yán)重落后國(guó)際水平，需要得到高度重視。未來(lái)，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(dòng)力電池發(fā)展的一個(gè)重要方向。
(3)電動(dòng)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(dòng)汽車的大規(guī)模快速充電需求，在未來(lái)發(fā)展電動(dòng)汽車VEG(Vehicle-Energy Station-Grid)模式具有很大的市場(chǎng)潛力。
在VEG模式中，電動(dòng)汽車安裝有能夠安全快速充電的動(dòng)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(chǎng)或家庭車庫(kù)進(jìn)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(zhǎng)壽命的MW級(jí)儲(chǔ)能電池系統(tǒng)，能夠從電網(wǎng)充電儲(chǔ)存電量后，給電動(dòng)汽車快速充電;同時(shí)，能量站能夠與電網(wǎng)互動(dòng)，用于電力調(diào)峰或調(diào)頻。
