新能源动力电池的极限在哪里

2021年新能源汽车市场化进入爆发式增长新阶段,昭示汽车工业正经历大变局。在迎来巨大时代机遇的同时,该领域也遇到一系列挑战,尤其是电池技术、材料资源的可持续发展问题,这背后还有快充、快换与车网互动以及绿色智慧能源问题等。

锂电池:2030年前仍占据主导地位

我们要一直用锂电池吗?会不会有其他电池取代锂电池?这是动力电池技术可持续发展问题。

首先,锂电池还会用很久。当前锂电池比能量上限约为300瓦时/千克,新型锂电池可达350~400瓦时/千克。预计2025年会出现与现有液态电解质锂电池比能量大致相当的第一代全固态电池。2030年后出现第二代采用新型正负极材料的全固态电池,比能量将提升至500瓦时/千克,还会有高比能量锂—硫电池、金属空气电池等。最近出现的钠离子电池,各方面性能还不能满足高性能汽车使用要求。预计到2035年,钠离子电池、钾离子电池性能会大幅提升,比能量将达到300瓦时/千克左右。

从电池产业可持续发展角度看,锂电池在2030年之前仍占主导地位。粗略预测,第一代全固态电池(产业化后)占市场比例接近1%的时间点约在2030年。2035年之后,新一代固态电池及钾、镁、钠、锂—硫等各类电池会进入市场。到2050年,液态锂离子电池或将减少至约20%。

电池的全链条智能化是一大趋势。现在的材料合成与电池设计仍主要采用“试错法”,导致实际生产的电池难以达到理论上的比容量。智能化手段可以使设计进一步优化,比如基于材料基因组学和人工智能的材料筛选和设计,再利用智能制造、应用过程中的智能电池管理,最后智能回收,实现全过程智能化。这是欧盟的2030年电池计划的核心思想。

通过智能设计,电池实际性能与理论值之间的差距可减少一半,智能回收可使回收原材料的利用率接近100%,全生命周期的碳足迹减少1/2。科技的潜力巨大,动力电池的可持续发展是有保障的。

超快充电:应主要用于高速补电

人们对电动汽车仍不太满意的是充电不如加油快。去年国庆假期,很多用户抱怨电动车变成了“电动爹”。其实高功率型动力电池可以像加油一样超快充电,但其比能量低,无法满足长续航要求。

现在长续航的电动汽车越来越多,装的都是强调高比能量的能量型动力电池,快充就不太容易了。比如350千瓦超快充电,5分钟充接近30度电,还要解决很多问题:充电倍率太大,电池受不了;充电电流太大,车受不了;充电功率太大,电网受不了。为此,电池本身要具备快充能力,即较高的峰值充电倍率;车载电气系统的电压要提高,如增加到800伏以便在超大功率充电时减小总充电电流;最好采用储能电池放电以达到350千瓦的高功率从而减轻电网负荷。这样才能便于超快充电。

这其中最难的还是动力电池本身快充潜力的发挥。充电过程最易发生安全事故,主要原因是快充导致锂枝晶造成内短路。为此,除了需要开发无析锂的快充技术外,还要选择超快充电区间和幅度。研究表明,在电量一半以下,5分钟充1/3的电量较为适宜;充满电会遇到安全、寿命、发热等很多问题,得不偿失。

超快充电应当主要用在高速公路应急补电。比如续航600公里的车,5分钟充1/3电量就是200公里,这是比较科学合理的。此外还要考虑全气候,比如冬天要加热,夏天要散热。所以必须配备快速加热、快速冷却。

基于储能电池放电的超级快充其储能电池从哪来?有两种办法,一是直接带储能的充电站,但成本偏高;二是跟换电结合,商用车快速换电这个趋势已非常明显。

总体来看,目前高出勤率、重型载荷、短途运输的卡车做换电最火,而矿区、建筑工地、钢铁厂、港口等是首先要进行的,将来逐步扩展到城市和高速公路。

我们认为,快速充电和快速换电相结合,卡车快换、轿车快充、换电备用电池给轿车快充,将是一个优势互补资源共享的解决方案。而且,这种快充快换站的使用习惯、频率及位置与燃油车加油很接近。此外,能源企业非常适合在加油站建设快充、快换耦合站,这对其而言是一个比较合理的商业模式和转型方向,有极大前景。

车网互动:未来有望形成“电动车股市”

据统计,目前家用电动汽车75%的电量通过慢充获得。随着电动车数量快速增加,慢充会给电力负荷带来很大压力,无序充电的时代即将结束。未来将进入有序充电阶段,后台将通过电价机制把充电调整到电力负荷低谷区间,目前深圳已有示范。管理充电的信息网会智能调度电网的充电能量,能源互联网的雏形渐显。

再进一步就是双向发展:电动汽车电池既充电又放电。比如,电动汽车与建筑连接构成一个能源系统,可以给建筑供电。风电、光伏发电波动大,电足的时候可以先储存,缺电时再放出,如此一来储能的作用很大,电价差也会越来越大,电动汽车作为储能装置的价值将会显现。

2025年电池汽车的电池容量将超过20亿千瓦时,以2040年3亿辆电动车保有量计,每辆车平均65度电,总计约200亿度电,这是我国一天所需的总电量。这一巨大储能系统将产生巨大的碳减排潜力。初步估算,其碳减排潜力高达10亿~20亿吨,数量十分惊人。总之,电动汽车储能的潜力极大,会是一个巨大的蓝海市场。

可能会有人提出疑问,电动汽车是分散、移动、随机使用的,充电装置也不是到处都有,这种理想的结果如何实现?

首先要加快普及慢充设施。理想状态是车停下来就能接入电网,这样才能促成储能和电网互动功能的实现。比如利用车载双向充电机,车下只需要一个智能插座解决结算问题就可以。从技术角度看,只要有标准规范,安全是有保障的,关键是如何实施。

2025年之前主要是有序充电,2025~2030年会发展出与建筑和微网的互动,2030年之后会与配电网互动。从系统分级看,底层是充放电的硬件设施,中层是大量电动汽车储能和微网聚合商,上层是政府介入的调度管理平台。

以可再生能源为主体的电力系统的特征将会是分布式、市场化为主。电动汽车充放电将会是一个市场,充放电如同股票买卖,电价低就充、电价高就卖,通过经济激励手段实现对波动性风电与光伏等可再生能源的自动调节与平衡。对个人而言,用手机APP就可以搞定,这是未来绿色智能城市的一个美好愿景。

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