美国“加快普及电动汽车”计划及其启示

盖世汽车 2016-12-01 01:59

美国“加快普及电动汽车” 2016年7月,美国联邦政府发布了关于“加快普及电动汽车”计划的声明,旨在通过政府与私营部门合作,推广电动汽车和加强充电基础设'...

美国“加快普及电动汽车”

2016年7月,美国联邦政府发布了关于“加快普及电动汽车”计划的声明,旨在通过政府与私营部门合作,推广电动汽车和加强充电基础设施建设,以应对气候变化、增加清洁能源使用并减少对石油的依赖。主要执行内容包括以下几个部分:

能源部贷款项目办公室将为签署合约的46家单位提供高达45亿美元的贷款担保来支持和推动电动汽车充电基础设施的革新。

能源部和交通部已就2020年全国电动汽车的快速充电站网络达成合作协议,共同推动电动汽车充电走廊的部署和建设,推进美国地面交通固定计划(FAST) 的执行。

联邦可持续发展办公室邀请地方政府与联邦政府合并电动汽车和充电基础设施的购买及安装需求,以降低购买成本,扩展技术可用性,提高汽车制造商对需求的确定性。

白宫科技政策办公室将举办“电动汽车编程马拉松”来融合科学研究和软件开发,以推动电动汽车的技术革新,增强数据访问;能源部与合作单位将共同开展电动汽车350 kW、10分钟直流快速充电的技术可行性研究(计划2016年底完成);成立由能源部西北太平洋国家实验室牵头的“电池500联盟”,旨在研发出能量密度高达500瓦时/公斤的电动汽车用锂电池。

出版电动汽车和充电站相关联邦基金财政资助和技术帮助的指南,有35家新机构签署了能源部的工作场所充电计划,并承诺为其员工提供电动汽车充电接口。

其中,在“电池500联盟”项目中,美国能源部将在今后5年里每年为这个联盟提供1000万美元的资金,赞助材料与界面、电极结构、电池设计与一体化三个重点研究方向,并将把资金中的20%用来支持电池技术领域的小型“种子”研发项目。联盟的目标是通过开发新型高能量密度材料,将电动汽车所用锂电池的重量能量密度提高到500瓦时/公斤,循环使用寿命达到1000次,即在提高能量密度的同时减轻电动汽车的重量和体积,并加倍延长一次充电后的行驶里程,大幅降低电动汽车价格(低于100美元/千瓦时)。除了打造高效率、平价电动车电池的实时目标,联盟总监刘俊预期联盟的研发成果能有助于智能电网的能量储存。

此外,充电技术是连接电动汽车和充电设施的关键纽带,在“加快普及电动汽车”计划的签约单位中,宝马、福特、大众、奔驰、日产以及特斯拉都承诺将加大电动汽车及电池的投资及研发力度,尤其是直流快速充电技术,并帮助合作者在合适的地点安装电动汽车充电装置。夏威夷电力公司也承诺与其合作伙伴全力支持电动汽车项目,继续安装更多的直流快速充电站,并研究电动汽车充电更多的管理和政策需求,以便完成其2045年之前实现电网100%可再生能源的目标。

美国“加快普及电动汽车”计划所带来的影响及技术发展的预测

美国“加快普及电动汽车”计划将对整个新能源电动汽车产业带来重要影响。从“加快普及电动汽车”计划可以看出美国政府重视发展三类技术方向:高能量密度(≥500 Wh/kg)锂电池技术;电动汽车快速充电技术(350 kW、10分钟);电池领域的新型原创技术(小型“种子”研发项目)。

高能量密度的要求将首先带动高能量密度电极材料体系和电池优化设计的研究,如将基于“试错法”的材料筛选模式过渡到基于材料基础物性参数的理性设计阶段,将材料本体性能提升过渡到3D结构设计、多维复合等多元研发阶段,将电池反应器独立设计过渡到基于电池电化学反应建模的理性开发阶段等等,通过高能量密度电池材料的开发、电池组装方式的优化、电池模块的高功率设计等获得电池综合性能的突破。

而从技术层面分析,“加快普及电动汽车”计划中350 kW、10分钟的直流快充电池技术意味着充电系统能在10分钟内为汽车充满续航200英里的电量,这将对很多应用领域产生革命性影响,特别是针对大倍率充电相关的关键技术瓶颈研发(50 kW以上),这将大大提高电动汽车在世界范围内的使用。此外,该计划对小型“种子”电池研发项目的大力支持,有助于激发研究人员对新型原创电池技术的开发和电池新理论的探索,推动储能技术的原始创新研究。

未来在大规模推广电动汽车的同时,将会加大对锂资源开采和提纯技术的需求,同时也有可能带来锂资源紧缺的情况,势必对各国锂资源的战略储备策略产生影响。

目前来看,锂矿资源的全球储量丰富,超过60%的锂矿资源尚未得到勘探开发,潜在资源量巨大,分布也高度集中。就资源量而言,全球59%的资源量集中在“锂三角”国家,即智利、玻利维亚和阿根廷三国,中国和美国的锂资源量分别占世界总量的13.3%和13.5%。SQM、Chemetall、FMC和Talison是国际上开采锂矿的四大巨头公司,垄断了全球最优质的锂矿资源。

我国锂矿资源虽储量丰富,但高品位锂矿少、低品位矿多。从全球格局看,我国锂矿企业无国际定价权,处于下游有压价风险、上游受巨头压制的产业链弱势环节,锂矿资源的储备和开采提纯技术需要得到重视。

此外,为了避免电池材料对环境的污染以及降低电池的全产业链生产成本,动力锂电池的回收再利用必将成为业界的关注重点。根据欧盟第2006/66/EC号电池指令,要求2016年电池回收率达到45%,根据电池总类的不同,循环再利用率应达到50%—75%。但是现有锂电池通常采用高精密涂布技术制作极片,电池报废后回收处理极度困难,通常需要经过电池拆解—机械粉碎—湿法或火法冶金等几个环节,回收成本很高。因此,未来必须开发可回收的新型动力电池和环保高效的回收处理技术。

若干启示与建议

电动汽车以及动力锂电池技术已经受到美联邦政府的高度重视,并且美国已经在全球锂资源控制及技术投资方面进行了战略布局。我国新能源汽车产业要取得国际竞争优势,需要高度重视以下三个技术方向,并予以支持取得突破:

(1)基于可回收理念设计的新型锂电池技术

发展锂电池的循环再利用技术有助于我国降低对锂矿资源的依赖并掌握新能源汽车产业可持续发展的主动权。

目前的动力锂电池是从手机电池等微小型电池发展而来,动力电池结构设计并没有考虑回收处理的环节,导致回收成本高、污染大,这将给我国新能源汽车的可持续发展带来严峻的挑战。因此,开发易回收的新型动力电池技术具有重要的战略意义。基于易回收理念设计的锂浆料电池是近年来开发的一种低成本、大容量、长寿命的新型锂电池技术,有望在电动汽车和电力储能领域发挥重要作用,目前处于基础关键技术研究阶段。浆料储能方式非常有利于锂电池的回收再处理,将是以后重点发展的储能动力电池技术方向。

(2)将电池能量密度和功率密度矛盾解耦的高能快充电池技术

美国政府“加快普及电动汽车”计划不仅高度重视高能量密度(≥500Wh/kg)锂电池技术的研发,同时非常关注电动汽车的快速充电技术(350 kW、10分钟)。

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