题目
Batteries and fuel cells for emerging electric vehicle markets
作者
Zachary P. Cano, Dustin Banham, Siyu Ye, Andreas Hintennach, Jun Lu, Michael Fowler, Zhongwei Chen
一作
单位
Department of Chemical Engineering, University of Waterloo, Waterloo, Ontario, Canada
链接
https://www.nature.com/articles/s41560-018-0108-1
虽然早在19世纪就已推出电动汽车（EV），但是在近十年以来才开始被广泛采用。全球电动汽车销量从2010年的不足1万辆上升到2016年的77.4万辆，到现在累计销量已超过200万辆。汽车电气化几乎被所有国家视为公路运输脱碳的主要途径，同时城市空气质量的日益恶化也导致多个国家宣布禁止销售内燃发动机汽车（ICEV）并要求以电动汽车代替，这些都促进了电动汽车的发展。
在IEA这一"超过2度"情景（B2DS）路径下，要求到2060年全球EV累计销售量达到18亿辆，同时电动汽车的市场份额达到86%（图1）。图1中内嵌的图为2010-2016年的累计电动汽车销量变化，到2016年，累计销量约为200万辆，市场份额为0.2%。到目前为止，电动汽车的销售和使用在很大程度上仍依赖于政府政策的推动，如财政激励、销售授权等。虽然这些政策可能会刺激EV的进一步发展，但要仅靠政府政策来推动电动汽车发展至图1规定的市场份额所需的水平，在财政上可能会不可持续或不可取。此外，由于电池的储能能力、安全性和可实现成本的固有限制，目前还不能确定由锂离子电池供电的电动汽车是否适合于所有地区。因此，为电动汽车传动系统提供动力的替代技术是重点。图1 IEA"超过2度"情景中规定的累计EV销售和EV市场份额的发展趋势
本研究将评估各类电池技术包括氢燃料电池在提高电动汽车性能和降低成本方面的潜力。首先概述了三个并没有受到太多锂离子动力电动汽车渗透的汽车市场，讨论了电动汽车在这些市场中取得成功需要改进的能源特性。随后，研究比较和评估了五种不同类型的备选电动车电池的属性。最后，除了氢燃料电池之外，本研究也简要回顾了每种电池技术的当前发展状况，并讨论每种技术在满足新兴电动汽车市场需求方面的潜力。
里程焦虑是经常被报道为阻止消费者购买电动汽车的关键技术障碍。在美国，对EV 的长运输距离期待更多一些，也许是因为该国潜在的旅行距离更长，另一方面，与其他发达地区相比，美国对公共交通的依赖更少。在 2016 年的调查中发现，超过一半（54%）的美国消费者需要电动汽车至少达到175英里（282公里）的行驶里程范围才会考虑购买，超过四分之一（29%）的人则要求电动汽车的行驶里程至少为375英里（604公里）。即使在电动汽车可将燃油成本降低三分之一的预设下，52% 的受访者仍不愿意花费高于传统燃油动力汽车价格5000美元而购买电动汽车，而有29%的受访者则不会接受超过1000美元的溢价。图2是根据目前在美国市场上可用电动汽车的行驶里程相对于同一车型的平均车辆价格溢价绘制的。值得注意的是，每辆EV的成本至少比其各自车型的平均车辆价格高5000美元。虽然低制造量和额外的车辆性能可能是电动汽车高价格的原因，但是电池的巨大成本是EV行驶里程和价格溢价之间正相关的重要因素。与电动汽车的行驶里程相比，电动汽车的成本可能是未来车主的主要关注点。图3展示了一个离散选择模型的模拟结果，该模型拟合了一些国家的车辆登记数据（电动汽车和常规汽车）。美国消费者愿意为每增加一公里行驶里程而额外支付21美元，而新兴国家（如中国、印度、巴西和印度尼西亚）的消费者只愿意支付平均8.4美元每公里。图3还显示每个国家/地区拟合车辆价格的负 logit 系数，该系数衡量了价格上涨到一定程度时消费者降低车辆购买的可能性。新兴国家的负系数平均值明显高于美国。而中国是一个例外，负值表明更高的价格会出人意料地增加购车的可能性。与传统电动汽车相比，包括两轮车和三轮车在内的价格更低、体积更小的低速电动汽车在中国的销量很高。这表明中国与印度、巴西和印度尼西亚一样，市场对低成本运输的需求较为强烈。高利用率车辆指的是行驶时间明显长于普通消费型汽车的车辆，例如公路货运汽车。这些更高使用率的车辆是造成气候变化和空气污染的一大重要因素。例如，2015年，公路货运车辆占全球运输业二氧化碳排放量的三分之一左右；随着客运车辆燃油效率提高，工业化国家的这一比例还在增加。因此，必须解决公共交通和货物运输向高利用率电动汽车过渡的挑战。高利用率对用于电动汽车中的储能技术的要求有着重要的影响。首先，快速充电能力（例如，不到一小时）成为更重要的考虑因素，因为为车辆充电所需的时间不应中断车辆的运行计划。锂离子电池能够快速充电，在若干国家/地区部署了用于电动公交车在公共汽车站快速充电设备；但是，这可能会导致电池降解和安全问题增加。多个EV同时快速充电也会给电网的组件带来过大的压力，需要对电网进行高成本的升级。因此，高利用率电动汽车需要考虑的一个重要方面是它们能够快速充电，同时与电网顺利集成。前一节指出，增加特定能源选择或降低储能成本（与锂离子电池相比）对于行驶里程更长、成本更低的电动汽车至关重要，而快速充电、电网兼容性和安全运行对于高利用率的电动汽车至关重要。当然，锂离子电池还具有其他电化学技术需要与之竞争的其他几个特性。图4中比较了锂离子电池和其他可以作为新电动汽车候选电池技术的相关特性。其中安全等级为定性评级，等级由电解质类型（易燃或不易燃）、过热潜力以及有毒或腐蚀性物质释放的可能性等因素综合决定。每个电池的快速充电能力则是根据其特定功率进行半定量评级得到，而每个电池的电网兼容性则按其能效进行半定量评级。氢燃料电池具有最高的快速充电和电网兼容性，因为它能够在不中断电网的情况下快速传输氢气。图4中储氢的能量特性（特定能量、能量密度和储能成本）在不包括耦合燃料电池系统的质量、体积和成本时，不应与各种电池化学品的能量特性直接进行比较。与电池不同，氢燃料电池组合的总能量（即储存的氢气量）可以与燃料电池的总功率独立开来，其中某一项可单独增加。图5 汽车成本作为锂离子电池和氢燃料电池电动汽车的行驶范围函数
a. 客车 b.货车
改进特定能量、能源密度、成本、安全性和电网兼容性的电池和燃料电池，是远距离运输、低成本和高利用率运输部门电气化所必需的。虽然没有一种技术是适合每种应用场景的，但该研究中讨论的每个技术都至少有助于推动其中一种新兴电动汽车市场的发展（图6）。高功率铅酸电池可以补充低成本EV中的低功耗、高特定能量电池，而镍氢电池可以通过提供额外的能量，并同时更换结构或能量吸附组件来提高锂离子电池电动车的行驶里程。锂硫电池可以完全取代锂离子电池，以增加电动汽车的行驶距离以及实现低成本化的电动汽车市场，而锌空气电池和锂电池也可以作为行驶里程的扩展器，可以为低成本和远距离行驶的电动汽车行业起到重要作用。最后，快速加氢和与电网兼容的氢燃料电池是高利用率运输的必然选择，而高能量密度也使得氢燃料电池成为远程电动汽车发展的关注焦点。尽管锂离子电池具有某些电动汽车需求的最佳性能组合；然而，有针对性地采用多种电池和燃料电池供电组合的电动汽车，将增加向清洁、低碳运输全面过渡的可能。图6 替代电池和燃料电池的适用性，以适应新兴的电动汽车市场