楊 濤，嚴(yán)大洲，溫國勝，李艷平，韓治成

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

(2.硅基材料制備技術(shù)國家工程研究中心，河南 洛陽 471000)

(3. 洛陽中硅高科技有限公司，河南 洛陽 471000)

1 前 言

能源發(fā)展伴隨著人類文明和科技發(fā)展，世界能源結(jié)構(gòu)曾經(jīng)歷了煤炭代替薪柴、石油代替煤炭2次重大變革，并正在經(jīng)歷從化石能源向可再生新能源的變革。能源危機(jī)和環(huán)境污染的壓力以及近年來電動汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展為新能源產(chǎn)業(yè)注入了新的動力，正將新能源產(chǎn)業(yè)推向一個高峰，同時也對整個新能源行業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)。

2020年，世界主要國家紛紛宣布碳中和目標(biāo)，國際能源署制定了零碳實施路徑里程碑(圖1)[1]，中國明確提出“2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和”目標(biāo)。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，立足我國國情、遵循能源發(fā)展規(guī)律，控制能源生產(chǎn)和消費碳排放是實現(xiàn)全社會碳達(dá)峰目標(biāo)的關(guān)鍵，根本實現(xiàn)路徑是以能源生產(chǎn)清潔化、能源消費電氣化為方向，著力優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高能源效率、嚴(yán)控化石能源總位，構(gòu)建清潔主導(dǎo)、電為中心的現(xiàn)代能源體系。

圖1 碳中和路線中的關(guān)鍵里程碑[1]Fig.1 Key milestones in the pathway to net zero[1]

在政策、資本和市場等多重因素的綜合作用下[2]，由供給端、儲存端和應(yīng)用端3個板塊構(gòu)成的新能源產(chǎn)業(yè)基本格局已經(jīng)形成。目前，中國新能源應(yīng)用的主要載體是新能源汽車，所以如何真正實現(xiàn)汽車新能源化是新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要課題，但是受新能源入網(wǎng)供電成本、動力電池容量和電動汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不完善等因素的限制，板塊間的協(xié)同發(fā)展問題日益突出，促使新能源產(chǎn)業(yè)各個環(huán)節(jié)形成完整、統(tǒng)一的生態(tài)體系越發(fā)重要。

從能量流的角度看，新能源產(chǎn)業(yè)的3個板塊存在如下亟需解決的問題[3]：① 能源端，新能源占比小，供給能力有限，并且由于新能源(太陽能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能等)供給穩(wěn)定性差、電站區(qū)域分布不均、輸送困難等原因，還存在很大比重的棄光、棄風(fēng)、棄水電量；② 儲能端，大型儲能裝置尚未普及，動力電池等移動儲能設(shè)備容量和效率不能滿足市場需求；③ 應(yīng)用端，70%以上電能來源于火電而非新能源，電動汽車?yán)m(xù)航短、充電慢，汽車產(chǎn)業(yè)依然以燃油車為主，而目前原油進(jìn)口依存度依然超過70%[4]，對國家能源安全和環(huán)境構(gòu)成了威脅。

鑒于新能源產(chǎn)業(yè)現(xiàn)存的各種問題，作者提出了以“高速路網(wǎng)光伏發(fā)電-儲能設(shè)備-新能源汽車”為例，構(gòu)建協(xié)調(diào)發(fā)展的新能源生態(tài)體系基本框架：通過高速路網(wǎng)超級光伏電站解決新能源供應(yīng)與輸送的難題，通過研發(fā)高容量電池、建立電池標(biāo)準(zhǔn)體系突破儲能困境，通過汽車標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計以及換電模式推廣攻克應(yīng)用領(lǐng)域的瓶頸，產(chǎn)業(yè)鏈上下游相互聯(lián)合建立能源、儲能、應(yīng)用三大板塊的管理、運維和回收循環(huán)利用網(wǎng)絡(luò)，形成一個新能源產(chǎn)業(yè)的閉環(huán)生態(tài)系統(tǒng)。

2 能源端

新能源供給方面，在全球?qū)崿F(xiàn)碳中和的背景下，到2050年電力將成為最主要的終端能源消費形式，占比達(dá)到51%(圖2)[5]。除了最為傳統(tǒng)的水電外，發(fā)展勢頭最迅猛的當(dāng)屬光伏和風(fēng)電，光伏和風(fēng)電對可再生能源發(fā)電的貢獻(xiàn)率將超過63%。其中隨著我國多晶硅產(chǎn)業(yè)持續(xù)的技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模擴(kuò)張，自2004年至今，光伏發(fā)電系統(tǒng)成本斷崖式下降(組件和系統(tǒng)價格以及光伏電價分別下降了92%、87.5%和82%以上)，并且全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放極低(每度電產(chǎn)生的二氧化碳僅為43 g左右，遠(yuǎn)低于火電的1000 g)，成本與環(huán)保優(yōu)勢使光伏發(fā)電有望成為未來最大的電力來源。并且由于技術(shù)的不斷進(jìn)步，光伏中標(biāo)電價持續(xù)下降，投資成本和發(fā)電成本逐年下降，2023年11月18日，西藏自治區(qū)人民政府辦公廳印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整全區(qū)上網(wǎng)電價和銷售電價引導(dǎo)降低社會用電成本的通知》，集中式光伏電站上網(wǎng)電價降低至每度0.1元[6]。

圖2 全球能源消費結(jié)構(gòu)變化預(yù)測[5]Fig.2 Changes pridiction of global energy consumption[5]

另一個非常重要的優(yōu)勢是，光伏發(fā)電獲得的是直流電，可以直接供給電動汽車，從而極大地壓縮電動汽車的用電成本。不過，目前受光伏發(fā)電地理位置的限制，需要逆變交流升壓后并入電網(wǎng)，方可輸送至用戶端，到用戶端再進(jìn)行降壓整流為直流電，經(jīng)歷2次轉(zhuǎn)化，不僅能量損失嚴(yán)重，而且大大增加了投資，用電成本增幅可達(dá)55%，對新能源的應(yīng)用非常不利。

2.1 突破光伏用地困境的探索

光伏發(fā)電普遍采用的硅基電池片，最大實際轉(zhuǎn)化效率為24%左右[7]，需要足夠大的安裝面積以確保足量的電能供應(yīng)，所以光伏用地成為一個棘手的問題。為了避免過高的逆變損耗和輸電成本，光伏電站建設(shè)在用電終端附近直接為其供電最為理想，而用電終端密集地區(qū)往往又是土地匱乏的區(qū)域。針對這一困境，不同的分布式光伏電站方案被提出，總體思路就是跳出傳統(tǒng)光伏電站平面布局的思維，在已有設(shè)施上增加光伏組件，以充分利用立體空間，比如魚塘光伏、蔬菜大棚光伏、農(nóng)田光伏等，不過，局限性也非常明顯，分布式方案提供的安裝量非常有限，考慮依附設(shè)施本身需要一定的采光度，光伏組件無法按照最大密度安裝，并且上述幾種典型方案都不能確保對最大的用電終端——電動汽車實現(xiàn)有效供電。

于是，依托公路網(wǎng)建設(shè)光伏電站的設(shè)想被提上日程，并且已經(jīng)有2種模式被付諸實踐。一種是高速公路非功能區(qū)分布式光伏，主要是利用高速公路沿線匝道、綠化/隔離帶、服務(wù)區(qū)屋頂、車棚等安裝分布式光伏組件[8]。不過，發(fā)電面積有限的根本問題并沒有得到解決，涉及高架、山地、陡坡等的惡劣環(huán)境下不能實現(xiàn)安裝，所以發(fā)電量非常有限，僅僅能滿足服務(wù)區(qū)的普通用電需求，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到為電動汽車充電的目標(biāo)。另一項關(guān)于高速公路光伏電站的實施案例是承載式光伏路面，但是僅從材料的使用來看，路面的建設(shè)成本不菲，而且路基的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)也將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通高速公路；此外，從效費比的角度看，路面需要加裝高強(qiáng)度承重耐磨表層，透光率大大降低，光伏組件的理論轉(zhuǎn)化效率僅為5.06%[9]，當(dāng)車流量較大的時段，光接收率和轉(zhuǎn)化率會更低，完全不具備實用價值；除了建設(shè)效費比，更重要的是，路面材料損耗率高，維護(hù)成本將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過建設(shè)成本。所以，無論是從成本的角度，還是發(fā)電效率的角度，該方案都是不可行的。

2.2 高速路網(wǎng)超級光伏電站方案

有了上述2種方案的經(jīng)驗教訓(xùn)，作者團(tuán)隊推薦一種更為大膽但更加實用的方案，即架空光伏。設(shè)想充分利用高速公路的立體空間，通過承托結(jié)構(gòu)將普通光伏組件架設(shè)在路面以上數(shù)米的位置，除了安裝高度較高以外，與正常光伏電站完全相同，因此可以充分利用現(xiàn)有商用光伏組件和安裝、維護(hù)、回收體系，實現(xiàn)與正常光伏電站相當(dāng)?shù)倪\行壽命，建設(shè)與運營成本都可以得到有效控制。當(dāng)前光伏電站普遍采用的追光技術(shù)也可以完全移植，光伏板可自動旋轉(zhuǎn)，充分利用陽光。最重要的是，能夠?qū)崿F(xiàn)高速路網(wǎng)幾乎全覆蓋(除隧道區(qū)外)，解決了用地困境，不占用綠化帶，發(fā)電量大，直流電經(jīng)電力變換后直接供給沿途充電站，為電動汽車補充電能，真正實現(xiàn)降低汽車用電成本。并且，可以預(yù)期的是，光伏組件的承托機(jī)構(gòu)為將來的電動汽車電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)應(yīng)用預(yù)留了良好的基礎(chǔ)設(shè)施。因此，這是一項兼顧實用和拓展?jié)摿Φ穆肪W(wǎng)新能源解決方案(圖3)。

圖3 高速路網(wǎng)光伏電站假想圖Fig.3 Imagination of the highway PV power station

2.3 高速路網(wǎng)超級光伏電站供給能力

為了更加充分地說明架空光伏電站的優(yōu)勢，作者對其供給能力進(jìn)行了細(xì)致的評估：以中國河南省為例，以平均每平米光伏裝機(jī)量0.1 kW粗略估計，在最低標(biāo)準(zhǔn)為路基基本寬度24 m雙向四車道的高速公路上安裝；考慮路面采光等因素，長度方向上1/3的覆蓋量；綜合考慮日照時間、日照強(qiáng)度和組件維護(hù)等各方面因素，光伏組件年均接收峰值日照約為1100 h；2023年河南省高速公路總里程8300 km，那么高速超級光伏電站的年發(fā)電量可達(dá)7.31×109kWh。

對這樣規(guī)模的供電能力，可以從另一個角度來更直觀地理解：電動汽車的百公里平均電耗為16 kWh左右，假設(shè)車年均行駛20 000 km，河南省高速路超級光伏電站的發(fā)電量可供228.44萬輛電動汽車運行1年，而當(dāng)前(2023年底)河南省私家車保有量超過1600萬輛，所以僅高速路光伏電站就可滿足將河南省14%左右的汽車替換為電動汽車后行駛的能源消耗。另外，從能源成本來看，光伏產(chǎn)生的直流電不經(jīng)過逆變上網(wǎng)，直接供給電動汽車使用，綜合用電成本將低于0.6元/kWh，一輛電動汽車一年的電費約為1200元，而同級別的燃油車(以百公里油耗10 L計)燃料消耗成本將在15 000元以上。這僅僅是以最低標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估，隨著光伏技術(shù)快速進(jìn)步，如果正式實施，實際供給能力將顯著高于預(yù)估值，并且，如果在有條件的普通公路沿線建設(shè)光伏電站，將進(jìn)一步提升光伏在新能源產(chǎn)業(yè)中的供給能力，由此加速相關(guān)領(lǐng)域的“新基建”進(jìn)程。

2.4 高速路網(wǎng)超級光伏電站的運行與維護(hù)

高速路網(wǎng)超級光伏電站建設(shè)完成后，另一項極為重要的工作就是運行與維護(hù)，由于發(fā)電組件分布里程非常長，單獨組織一支運行維護(hù)力量所花費的成本將非常高，因此，高速道路養(yǎng)護(hù)平臺將被充分利用起來，并借助物聯(lián)信息化，實現(xiàn)智能化、高效率、低成本運行與維護(hù)。其基本的模式是，電站運營商與高速路政深度合作，采用“現(xiàn)場+遠(yuǎn)程”相結(jié)合的方式以道路養(yǎng)護(hù)為基礎(chǔ)培養(yǎng)專業(yè)的光伏電站運行維護(hù)人員，按區(qū)域設(shè)置線下管理網(wǎng)點，進(jìn)行定期現(xiàn)場巡檢；同時由遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)組成的線上網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集，連同人工巡檢結(jié)果一起匯總至運維集中控制中心，建立預(yù)防性運維機(jī)制，對潛在風(fēng)險、故障進(jìn)行分析和防范，以及對突發(fā)情況進(jìn)行快速反應(yīng)。

3 儲能端

太陽能光伏等清潔電力近年來發(fā)展迅猛，但穩(wěn)定性差是其天然屬性，且普遍存在棄光現(xiàn)象[10]。另一方面，電力資源由于地理位置和氣候環(huán)境等因素差異在全局和局部范圍內(nèi)都存在不同程度的分布不平衡，必須在現(xiàn)有的電力系統(tǒng)中加入關(guān)鍵的儲能環(huán)節(jié)，讓電力在空間和時間上得到更合理的再分配。同時，儲能裝置也充當(dāng)了能源端與應(yīng)用端的緩沖環(huán)節(jié)，以抵消新能源電力供給端不穩(wěn)定性對用戶端的沖擊[11]。作為連接能源端和用戶端的紐帶，根據(jù)儲能設(shè)備的容量、規(guī)模和歸屬以及是否可移動等，儲能系統(tǒng)可以分為供應(yīng)端儲能和應(yīng)用端儲能。

3.1 供應(yīng)端儲能

供應(yīng)端儲能系統(tǒng)最基本的任務(wù)是將能源端提供的電能以一定的形式儲存起來，能量儲存系統(tǒng)的基本任務(wù)是克服在能量供應(yīng)和需求之間的時間性或者局部性的差異，起到削峰填谷的作用。因此，儲能系統(tǒng)要求[12]：① 單位容積所儲存的能量高，即系統(tǒng)盡可能儲存多的能量；② 具有良好的負(fù)荷調(diào)節(jié)性，能根據(jù)用戶需求調(diào)節(jié)其電能釋放量；③ 能源儲存效率要高，儲能系統(tǒng)不需過大的驅(qū)動力或過高損耗而以最大的速率接收和釋放電能；④ 系統(tǒng)成本低、長期運行可靠，保證推廣應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性。

3.1.1 液流電池

在眾多電網(wǎng)級儲能方案中，液流電池由于其能量、功率分開設(shè)計，安全性高且循環(huán)壽命長等特點已經(jīng)成為大規(guī)模儲能技術(shù)中最有前景的技術(shù)之一。液流電池通過正負(fù)極電解質(zhì)溶液活性物質(zhì)的可逆氧化還原反應(yīng)實現(xiàn)電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化(圖4)[13]，從而消納太陽能和風(fēng)能等不連續(xù)、不穩(wěn)定的發(fā)電，解決棄光、棄風(fēng)問題，消除其隨機(jī)性、間歇性和波動性等問題，消除電網(wǎng)沖擊，為應(yīng)用端提供穩(wěn)定的電能輸出。同時，液流電池與傳統(tǒng)電池不同，儲能介質(zhì)的存儲與反應(yīng)是分開設(shè)計的，安全性非常高，并且電荷轉(zhuǎn)移只涉及電解和電解液界面，不存在固相內(nèi)部的電荷傳遞問題，因而充放電應(yīng)答速度非?？?，可以滿足大功率輸入和輸出需求。其中的全釩液流電池，通過釩離子價態(tài)的變化實現(xiàn)電能的儲存與釋放，不會發(fā)生電解液降解，并且可以通過在線或離線價態(tài)調(diào)整技術(shù)使系統(tǒng)恢復(fù)價態(tài)平衡，是持續(xù)性強(qiáng)、安全性高、經(jīng)濟(jì)性好、環(huán)境友好的大規(guī)模儲能首選技術(shù)之一。

圖4 全釩液流電池示意圖[13]Fig.4 Schematic of an all-vanadium redox flow battery[13]

3.1.2 液態(tài)金屬電池

與液流電池類似的儲能解決方案還有液態(tài)金屬電池(圖5)，液態(tài)金屬電池的結(jié)構(gòu)非常簡單，完全依靠介質(zhì)的密度差異，使用熔鹽分隔陰陽極液態(tài)金屬，沒有傳統(tǒng)電池復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最有很長的循環(huán)壽命，而且容量十分穩(wěn)定，整個電池的損耗率也非常低，在每一天都進(jìn)行充放電的情況下，持續(xù)使用10年之后依然能夠保持99%的容量。Donald Sadoway團(tuán)隊成立的AMBRI公司計劃生產(chǎn)液態(tài)金屬電池產(chǎn)品的具體信息[14-16]：體積為18 m3；儲電量1000 kWh，功率為350 kW；支持1000 V直流電；總重15 t，合計每千克儲能67 Wh，要比鋰電池便宜。當(dāng)前，液態(tài)金屬電池唯一的劣勢是需要高溫和消耗額外的能量來維持介質(zhì)的液體狀態(tài)，但未來的室溫液態(tài)金屬電池技術(shù)將使它具有與液流電池進(jìn)行全面競爭的潛力。

圖5 Li‖Sb-Pb液態(tài)金屬電池示意圖[14]Fig.5 Cell schematic of Li‖Sb-Pb liquid metal battery[14]

3.1.3 動力電池梯級利用

儲能的另一條路徑是梯次利用動力電池，隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，退役的動力電池數(shù)量越來越多，電芯剩余容量多在初始容量的60%～70%[17]，其儲能能力仍然非?？捎^。對退役動力電池進(jìn)行整體診斷和評估后，根據(jù)品位不同，將其應(yīng)用于小型儲能、家庭儲能、基站備電、微電網(wǎng)系統(tǒng)、中大型電力儲能市場等，以充分利用其剩余價值，是十分有成本優(yōu)勢的儲能方式[18]。當(dāng)然，由于動力電池廠商、用戶個體使用習(xí)慣以及地區(qū)使用環(huán)境的差異，每個動力電池的衰減情況各不相同，再利用時的使用壽命(充放電次數(shù))很難評估準(zhǔn)確，沒有質(zhì)?；蛸|(zhì)保期較短(通常不超過2年)，無法將退役動力電池作為電網(wǎng)儲能主力，但將它們用于小規(guī)模儲能或作為電網(wǎng)儲能補充設(shè)施，依然是非常有前景的發(fā)展方向。

3.2 用戶端儲能

作為新能源汽車的核心零部件，動力電池的性能、產(chǎn)能、價格“三座大山”一直制約著產(chǎn)業(yè)升級[19]。為此，我國先后出臺《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》[20]及《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》[21]，明確實施電池技術(shù)突破行動，包括負(fù)極材料在內(nèi)的電池材料關(guān)鍵核心技術(shù)研究，加強(qiáng)高強(qiáng)度、輕量化、高安全、低成本、長壽命的動力電池短板技術(shù)，全力推進(jìn)新型電池材料研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。國際上，歐盟9國成立歐洲電池聯(lián)盟，歐盟委員會發(fā)布《歐洲2030+電池計劃》[22]，運用先進(jìn)技術(shù)和平臺加速新型電池材料研發(fā)；2021年美國發(fā)布《美國國家鋰電藍(lán)圖2021-2030》，全面布局鋰電池資源、材料、電芯、電池包、電池回收以及下一代鋰電池技術(shù)研發(fā)[23]。2019年國際可再生能源署制定《全球能源轉(zhuǎn)型2050路線》[24]，明確將開發(fā)新型電池材料作為推動能源轉(zhuǎn)型的技術(shù)路線之一。

鋰離子電池因其能量密度方面的絕對優(yōu)勢，成為當(dāng)前最主要的動力電池。整個鋰離子動力電池產(chǎn)業(yè)包含原材料、電芯、電池制造、電池模組、回收利用等眾多環(huán)節(jié)，其中電芯材料和電芯制造居于核心地位，直接影響電池的工作電壓、壽命、容量、安全性等。“三座大山”存在的根本原因在于動力電池的性能不夠理想，當(dāng)下動力電池面臨著容量低、充電慢、重量/體積大、續(xù)航短等問題，主流的電動汽車?yán)m(xù)航里程均不超過500 km，成為新能源汽車全面推廣的瓶頸之一。此外，動力電池產(chǎn)業(yè)尚未實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，產(chǎn)品的穩(wěn)定性和一致性均無法保障。所以，動力電池發(fā)展的方向和目標(biāo)是高能量密度、高功率密度、長循環(huán)壽命和高度標(biāo)準(zhǔn)化。

在推翻上述“三座大山”的任務(wù)中，中國產(chǎn)業(yè)界制訂了專門的動力電池發(fā)展路線[25]：近中期在優(yōu)化現(xiàn)有體系鋰離子動力電池技術(shù)使之滿足新能源汽車規(guī)?；l(fā)展需求的同時，以開發(fā)新型鋰離子動力電池為重點，提升壽命、安全性和一致性，同步開展新動力電池體系的前瞻性研發(fā)；中遠(yuǎn)期在持續(xù)優(yōu)化提升鋰離子動力電池的同時，重點研發(fā)新動力電池體系，顯著提升能量密度，大幅降低成本，實現(xiàn)新動力電池體系實用化和規(guī)?；瘧?yīng)用。具體包含以下幾個重點發(fā)展方向：動力電池新材料研究、動力電池安全性及長壽命技術(shù)研究、動力電池監(jiān)測系統(tǒng)及控制技術(shù)、動力電池仿真及分析測試技術(shù)、動力電池梯級利用及資源回收技術(shù)；實現(xiàn)技術(shù)路徑：加大新電池體系的研發(fā)力度、提升關(guān)鍵材料及裝備水平、提高電池的壽命、安全性和一致性、加速動力電池標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)和電池回收再利用技術(shù)研究。力爭在2020、2025、2030這3個關(guān)鍵時間節(jié)點上達(dá)到表1所示的技術(shù)指標(biāo)。

表1 中國動力電池技術(shù)路線[23]

3.2.1 動力電池電極材料

在鋰電池的成本中，四大核心材料(正極、負(fù)極、電解液、隔膜)的占比接近40%，是產(chǎn)業(yè)發(fā)展中需進(jìn)行重點技術(shù)攻關(guān)的環(huán)節(jié)。電池正極和負(fù)極材料作為充放電過程中的儲鋰介質(zhì)，是決定電池容量的關(guān)鍵部分，是核心中的核心。目前應(yīng)用最廣的石墨負(fù)極材料的比容量已達(dá)到370 mAh·g-1，已經(jīng)接近碳材料的理論容量極限372 mAh·g-1(表2)，因此新型的高容量負(fù)極材料是負(fù)極領(lǐng)域的發(fā)展方向[26]。與碳同族的硅在常溫下能與鋰形成Li15Si4合金，理論容量高達(dá)3579 mAh·g-1，是極具前景的下一代負(fù)極材料。國內(nèi)電池材料龍頭企業(yè)貝特瑞新材料集團(tuán)股份有限公司已有小批量相關(guān)產(chǎn)品上市，最高容量可達(dá)1500 mAh·g-1以上，首次庫倫效率高于90%?？傮w來說，負(fù)極材料特別是硅碳負(fù)極材料的研發(fā)空間還非常大，目前其倍率與循環(huán)壽命等性能指標(biāo)依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，需要持續(xù)開發(fā)更為先進(jìn)和高效的硅基納米化和硅碳復(fù)合化技術(shù)。

表2 石墨負(fù)極與硅負(fù)極對比[26]

除了負(fù)極，正極材料的性能是更難突破的環(huán)節(jié)。由于安全性高，磷酸鐵鋰長期以來是主要的正極材料，但是隨著動力電池對能量和功率密度要求的快速提升，誕生了結(jié)合鈷基和鎳基高容量以及錳基安全性的三元正極材料。鎳鈷錳3種元素之間具有良好的協(xié)同效應(yīng)，相比于磷酸鐵鋰電池，它擁有更高的比能量和比功率(表3)，并且具有長循環(huán)壽命、低毒和廉價的特點，更符合乘用車的需求，將取代磷酸鐵鋰成為下一代主流技術(shù)路線[27-29]。其中，鎳是三元材料儲能的主要成分，通過提高材料中鎳的含量以有效提高材料的比容量，是動力電池正極材料再往前邁進(jìn)的關(guān)鍵問題。

表3 正極材料主要性能指標(biāo)[27-29]

3.2.2 動力電池標(biāo)準(zhǔn)化

盡管動力電池面臨著容量瓶頸的問題，但是受新能源需求的推動和政策的鼓勵，眾多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)投入力量積極開展研發(fā)，使得電池材料產(chǎn)業(yè)獲得了快速發(fā)展，基本可以滿足商用電池的要求。不過，產(chǎn)業(yè)體量的擴(kuò)張卻帶來另一個問題，就是動力電池標(biāo)準(zhǔn)化[30]。單體電芯的規(guī)格尺寸不統(tǒng)一一直是主機(jī)廠和動力電池企業(yè)合作的主要矛盾之一，也是阻礙動力電池產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的重大障礙。目前國內(nèi)雖然有相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但由于代表性不足，抑或考慮尚需完善等問題，可執(zhí)行性差，我國動力電池行業(yè)還處在電池路線各不相同、電池型號繁雜、產(chǎn)量分散的較為無序的狀態(tài)。

電芯制作基本形成規(guī)范化的流程，標(biāo)準(zhǔn)化建立比較容易。比較困難的部分在于電池裝配，傳統(tǒng)電池裝配采用的是焊接法，不僅存在焊痕表面凸起、氣孔、炸火、內(nèi)部氣泡等問題，最為重要的配套的設(shè)備、環(huán)境和操作成本高，并且電池退役后也不利于回收利用。于是，催生了模塊化的電池裝配技術(shù)，比如美國波士頓能源公司(Boston-Power)開發(fā)的新型壓力連接方法[31]，實現(xiàn)電池模組的快速裝配和拆卸，原始設(shè)備制造商(original equipment manufacturer，OEM)標(biāo)準(zhǔn)測試結(jié)果表明該技術(shù)的裝/拆時間比傳統(tǒng)方法大為縮短，并有著與傳統(tǒng)方法相當(dāng)?shù)慕M裝密度、可靠性以及熱力學(xué)性能。這種標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的電池組裝技術(shù)，將單一續(xù)航里程的動力電池變成標(biāo)準(zhǔn)化組件的模塊化電池組，給汽車制造商或者電池組供應(yīng)商們提供一種較為簡單、成本較低廉的方法來進(jìn)行大容量電池組的快速生產(chǎn)和裝配，省去大量從概念驗證到市場化的時間，減少了前期投資、項目風(fēng)險、人工成本等等(圖6)。

圖6 壓力連接電池模組組裝示意圖[31]Fig.6 Illustration of the pressure connection method for battery module assembly[31]

3.2.3 動力電池管理

動力電池良好的運行性能，除了依靠材料與標(biāo)準(zhǔn)外，還有賴于先進(jìn)的管理系統(tǒng)[32]。搭乘物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的快車，建立一套全面開放、深度互聯(lián)的電池智能管理系統(tǒng)，覆蓋動力電池“注冊入庫-臺賬建立-充電記錄-使用記錄-維護(hù)檢修-報廢處理”全生命周期，可實現(xiàn)供電、儲能、安防全方位實時在線監(jiān)測(圖7)[33，34]。帶來的直接好處就是實現(xiàn)電池的安全監(jiān)控，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和人工智能，對電池狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判和預(yù)警，頻發(fā)的電動汽車自燃事故也更加說明了智能管理系統(tǒng)的必要性。雖然開發(fā)更加安全的電池材料和電池結(jié)構(gòu)才是根本的解決方案，管理系統(tǒng)只是一種被動式的方案，但是考慮新型材料的研發(fā)周期以及多重保險策略，主動和被動雙管齊下才是實現(xiàn)零風(fēng)險的最佳組合。此外，電池管理系統(tǒng)也是動力電池回收利用系統(tǒng)的重要一環(huán)，整車廠和電池供應(yīng)商可以充分利用電池管理系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)，研判用戶動力電池狀態(tài)，提供主動回收服務(wù)。

圖7 電池管理系統(tǒng)框架[33，34]Fig.7 Framework of the battery management system[33，34]

4 應(yīng)用端

在新能源的應(yīng)用端，電動汽車的續(xù)航能力是僅次于安全性的最為重要的指標(biāo)，動力電池容量只是其中的一個決定性因素，而實用中電能補充往往才是更關(guān)鍵的限制因素。由于充電速度慢和充電站尚未普及，即便動力電池能量密度如預(yù)期達(dá)到500 Wh·kg-1以上，若不能及時充能，電動汽車也無法達(dá)到如燃油汽車般的長距離續(xù)航能力，取代燃油車實現(xiàn)能源消費轉(zhuǎn)型的目標(biāo)也就無從實現(xiàn)，所以必須著力解決這一問題[35，36]?；诂F(xiàn)有的快充技術(shù)水平，充電速度與燃油車加油速度相去甚遠(yuǎn)，充電模式還無法與電動汽車需求與產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度匹配，所以借鑒燃油車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展經(jīng)驗，發(fā)展與加油站功能類似的配套設(shè)施無疑是一條非常好的解決方案，而電池更換模式(簡稱換電模式)成為一個可行性非常高的選項，其基本策略就是以“換”代“充”，即與加油站一樣，建設(shè)換電站對續(xù)航不足的車輛直接進(jìn)行動力電池更換，以達(dá)到電能補充的目的。

4.1 電動汽車標(biāo)準(zhǔn)化

換電模式實施的一個重要前提就是標(biāo)準(zhǔn)化，前面的內(nèi)容已經(jīng)論述了動力電池標(biāo)準(zhǔn)化與智能管理，這就為換電模式的推廣奠定了基礎(chǔ)[37]。此外，電動汽車的制造也需要全面標(biāo)準(zhǔn)化，除了整車設(shè)計模塊化、動力電池模組標(biāo)準(zhǔn)化(統(tǒng)一安裝位置、安裝方式、充電接口)以便于形成換電的統(tǒng)一操作規(guī)程，還需要基于智能互連的通信接口標(biāo)準(zhǔn)化，以實現(xiàn)車輛管理系統(tǒng)與電池管理系統(tǒng)的兼容互通，為換電站充電與電池維護(hù)提供足夠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.2 換電運營模式

換電模式在運營機(jī)制上，將至少涵蓋汽車廠商、用戶、換電服務(wù)商、電池企業(yè)4個基本的板塊，分別進(jìn)行電動汽車生產(chǎn)銷售、使用、電池租賃-更換-維護(hù)+換電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、電池供應(yīng)。目前特斯拉(Tesla，Inc.)(圖8)、北京汽車集團(tuán)有限公司、奇瑞汽車股份有限公司和上海蔚來汽車有限公司已經(jīng)在開展換電模式試點[38，39]，一旦論證通過，也需要建立起一套標(biāo)準(zhǔn)化的換電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，從發(fā)電到用電，進(jìn)行整體規(guī)劃和調(diào)度。表4從換電服務(wù)商的角度羅列了一些代表性的換電運營方式，并比較了各自的優(yōu)劣[40]。從各方劣勢來看，建立標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架顯得尤為重要，無論哪種模式，運營商在統(tǒng)一的行業(yè)架構(gòu)中進(jìn)行合理配置，才能實現(xiàn)利潤和公共效益的最大化。而鑒于目前電動汽車換電市場的需求現(xiàn)狀和換電模式推廣的難度，綜合來看，以供電企業(yè)為主導(dǎo)的電動汽車換電合作運營模式是一種比較理想的選擇。同時，這對能源端(光伏電廠)是一個良好的機(jī)遇，新能源上游企業(yè)將有更多機(jī)會參與應(yīng)用端建設(shè)，從而在新能源使用的推廣中掌握更大的主動權(quán)，對提高能源消費中新能源的占比非常有利。

表4 幾種典型換電模式運行方式對比[40]

圖8 特斯拉換電系統(tǒng)[38，39]Fig.8 The battery exchanging scheme from Tesla[38，39]

5 氫 能

在新能源領(lǐng)域，除了最為常見的電能，不得不提及的便是氫能。氫能是一種清潔的二次能源，作為21世紀(jì)的“終極能源”，具有能量密度大、燃燒熱值高、來源廣、可儲存、可再生、可發(fā)電可燃燒、零污染、零碳排等優(yōu)點。而氫能的應(yīng)用上，除了直接作為燃料燃燒外，燃料電池是高效利用氫能的最佳方式。以氫燃料電池驅(qū)動的汽車，將具有與燃油汽車相當(dāng)甚至更長的續(xù)航里程，而燃料補充時間也可與燃油車比肩。因此，在政策和財政的雙重支持下，加快推進(jìn)可再生能源制氫、氫儲能、氫能利用等關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同研究，以使氫能產(chǎn)業(yè)逐漸成長為低碳路線的主力軍(圖9)[41，42]。

圖9 氫綜合能源系統(tǒng)[41，42]Fig.9 Illustration of the hydrogen energy system[41，42]

不過，由于氫能發(fā)展尚不成熟，面臨較多問題(制氫、儲氫、燃料電池催化劑都面臨重大挑戰(zhàn)，成本居高不下)，但是隨著光伏等新能源電力成本持續(xù)降低，電解水將成為高純度氫氣的重要來源，所以氫能可以作為純電新能源體系的補充，也可作為儲能介質(zhì)以充分消納棄光、棄風(fēng)、棄水電量。同時推進(jìn)制氫催化劑、儲氫材料和燃料電池催化劑等氫能關(guān)鍵基礎(chǔ)材料以及氫能汽車技術(shù)開發(fā)，將刺激新能源上下游基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用快速進(jìn)步，配合純電模式加速新能源產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展與完善。例如，重點推進(jìn)與間歇性、波動性的可再生能源發(fā)電高度適應(yīng)和匹配的電解制氫系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用：開發(fā)資源豐富、成本低廉的催化劑，解決綠色氫能制取依賴稀貴金屬的困境；突破超大型質(zhì)子交換膜電解堆集成技術(shù)和高密度高安全固態(tài)儲氫技術(shù)，消除綠色氫能制儲瓶頸，奠定綠氫平價供應(yīng)基礎(chǔ)；同步推進(jìn)質(zhì)子交換膜燃料電池和固態(tài)氧化物燃料電池等為代表的氫能應(yīng)用終端技術(shù)，構(gòu)筑車載氫能和分布式氫能的應(yīng)用模式，為新能源產(chǎn)業(yè)從“電驅(qū)動”向“氫驅(qū)動”轉(zhuǎn)變奠定基礎(chǔ)，從而打通新能源“源-儲-荷”全產(chǎn)業(yè)鏈(圖10)。

圖10 發(fā)電-儲能-新能源汽車的新能源產(chǎn)業(yè)鏈Fig.10 The new energy chain along power generation-energy storage- new energy vehicles

6 展 望

圍繞新能源產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)體系構(gòu)建的主題，以新能源汽車(特別是電動汽車)上下游產(chǎn)業(yè)為例，闡述了能源供應(yīng)、儲能系統(tǒng)、車輛制造、充能模式等純電驅(qū)動生態(tài)系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的構(gòu)建問題，簡述氫能作為當(dāng)下純電系統(tǒng)的補充，將逐步完善和推廣新能源產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，最終希望打造“能源-儲能-應(yīng)用”協(xié)調(diào)發(fā)展的、獨立于傳統(tǒng)能源的生態(tài)體系，改變社會能源消費結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，減少化石能源消耗，使我國逐漸擺脫能源依賴進(jìn)口的局面，保障國家能源戰(zhàn)略安全，助力實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)。