劉科，吳昌寧
南方科技大學(xué)清潔能源研究院，深圳518055
所有作者的詳細(xì)聯(lián)系方式：
劉科, 0755-88010097, [email protected], 廣東省深圳市南山區(qū)學(xué)苑大道1088號(hào)南方科技大學(xué)慧園
第一作者簡(jiǎn)介:劉科（1964-），南方科技大學(xué)清潔能源研究院院長(zhǎng)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院執(zhí)行院長(zhǎng)、澳大利亞國(guó)家工程院外籍院士；曾任美國(guó)通用電氣全球研發(fā)中心氣化平臺(tái)負(fù)責(zé)人、首席科學(xué)家，北京低碳清潔能源研究所副所長(zhǎng)兼首席技術(shù)官，神華研究院副院長(zhǎng)，國(guó)家千人計(jì)劃聯(lián)誼會(huì)化學(xué)化工專委會(huì)主任，現(xiàn)任國(guó)家千人計(jì)劃聯(lián)誼會(huì)副會(huì)長(zhǎng)，中國(guó)與全球化智庫(kù)常務(wù)理事兼副主任。
摘要:我國(guó)高度重視新能源汽車的發(fā)展，從2009年起開始實(shí)施產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼，投入大量資源，以期培育新能源車產(chǎn)業(yè)成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。更有論調(diào)稱將依靠新能源車領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步實(shí)現(xiàn)汽車行業(yè)“彎道超車”。在政策利好下，中國(guó)新能源車發(fā)展勢(shì)頭迅猛，然而這個(gè)勢(shì)頭將導(dǎo)向何方，可能產(chǎn)生怎樣的負(fù)面影響，還需將潛在風(fēng)險(xiǎn)因素提上桌面加以謹(jǐn)慎研討。
本文指出，影響新能源車?yán)m(xù)航能力的動(dòng)力電池能量密度存在多年未突破的技術(shù)天花板；制造動(dòng)力電池所須的鋰、鈷、鎳等金屬大量依靠進(jìn)口，新能源車產(chǎn)量飆升帶來(lái)上述金屬材料價(jià)格近期的大幅攀升，導(dǎo)致電池成本急速上升；新能源車雖然用電看似清潔，但產(chǎn)電過(guò)程涉及大量煤炭燃燒，全生命周期碳排放量不容小覷；更有甚者，報(bào)廢電池中的鋰金屬、鈷金屬、工業(yè)溶劑都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重環(huán)境污染，回收技術(shù)和制度保障困難重重。
從技術(shù)、成本、污染這三方面來(lái)看，新能源車是否值得持續(xù)擴(kuò)大生產(chǎn)，乃至成為汽車產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)方向，還需要謹(jǐn)慎的思考決策。新能源車在人口密集的城市作為出租車、公共汽車等有其優(yōu)勢(shì)；如果沒(méi)有革命性的技術(shù)突破，電動(dòng)車很難在可見的未來(lái)成為主流；因此，本文建議加大包括電動(dòng)汽車、燃料電池汽車及甲醇車等多種汽車技術(shù)的研發(fā)，但在技術(shù)發(fā)明沒(méi)有突破之前，產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼要謹(jǐn)慎。在公平市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下讓有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)勝出，更利于行業(yè)長(zhǎng)期健康發(fā)展。
關(guān)鍵詞：新能源車；能量密度；電池材料；研發(fā)投入；產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼
Abstract: The development of new energy vehicles (NEVs) has drawn much attention in China. Since the year of 2009 the Chinese government began to implement industrial subsidies and invest a lot of resources, in order to cultivate the industry of NEVs as a new economic growth point. There is a typical argument that China will overtake the developed countries in auto industry relying on the technical progress in the field of NEVs. Under the incentive policies, NEVs in China show good trend of development, however, the potential negative impacts of the policies and related risk factors in the industry are needed to be carefully discussed. Based on the discussions in this paper, it could be concluded that, (1) the energy density of the power cell that affects the endurance of the new energy vehicle has a technical ceiling that has not been broken for many years; (2) due to the supplies of metal materials (e.g., lithium, cobalt and nickel) for power cell manufacturing heavily replying on foreign imports, the prices of the metal materials rise sharply with the soaring production of NEVs, leading to a rapid rising of the cost of power cells; (3) although the usage process of electricity in NEVs seems clean, the process of generating electricity involves a large amount of coal burning, and the total life cycle carbon emissions should not be underestimated; and (4) the metal elements (e.g., lithium and cobalt) and industrial solvents in scrapped power cells will lead to serious environmental pollutions, with huge difficulties in technically recycling and institutional guarantee. From the perspectives of technology, cost and pollution, more careful decision considerations are required on whether to expand the production of NEVs and even make it the leading direction in the auto industry. In densely populated cities, NEVs have advantages as taxis and buses. The authors suggest the government to increase R&D investments on several vehicle technologies, including electric vehicles, fuel cell vehicles, and methanol vehicles, without having to further implement industrial subsidies. It is more conducive to a healthy development of the auto industry for a long time to provide an openly competitive and fair market for all technologies.
Keywords: New Energy Vehicles (NEVs); Energy Density; Battery Materials; R&D Investment; Industrial Subsidies。
新能源車的發(fā)展態(tài)勢(shì)和若干認(rèn)識(shí)誤區(qū)
我國(guó)高度重視新能源汽車的發(fā)展，將新能源汽車作為重點(diǎn)扶持的戰(zhàn)略型新興產(chǎn)業(yè)。在此種政策引導(dǎo)下，新能源車發(fā)展迅猛。據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2017年新能源汽車（包括純電動(dòng)乘用車、純電動(dòng)商用車、插電式混合動(dòng)力乘用車、插電式混合動(dòng)力商用車四類，亦可統(tǒng)稱電動(dòng)車）銷售市場(chǎng)持續(xù)保持較快增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，全年累計(jì)銷量77.7萬(wàn)輛，較2016年增加了27.0萬(wàn)輛，增速達(dá)53.3%[1]。中國(guó)新能源汽車的年產(chǎn)量已位居世界第一。
國(guó)家對(duì)新能源車的產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼始于2009年，其后陸續(xù)出臺(tái)大幅度政策支持，例如，在北京購(gòu)買新能源車不用搖號(hào)，在上海購(gòu)買新能源車不用拍牌照，還能獲得國(guó)家和地方兩級(jí)政府的現(xiàn)金補(bǔ)貼等。隨著新能源汽車銷量走高，政府就新能源車的補(bǔ)貼支出也越來(lái)越高，2016年補(bǔ)貼資金高達(dá)258億。政府2017年開始收緊補(bǔ)貼范圍并下調(diào)補(bǔ)貼金額，此后新能源車是否能繼續(xù)依靠補(bǔ)貼發(fā)展，能補(bǔ)貼多久、補(bǔ)貼哪些，將影響到新能源車產(chǎn)業(yè)的內(nèi)部調(diào)整。
關(guān)于新能源車的一些論調(diào)雖然積極，但部分觀點(diǎn)仍存在爭(zhēng)議。最受熱議的一個(gè)論調(diào)是新能源汽車被寄予厚望要成為趕超西方汽車工業(yè)的突破點(diǎn)，所謂實(shí)現(xiàn)“彎道超車”[2]。但事實(shí)上，“彎道超車”首先要基于技術(shù)有效、產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿薮?，并不是在什么道上都要超?；仡櫳鲜兰o(jì)90年油價(jià)居高不下之時(shí)，美、歐、日等諸國(guó)相繼投入大量經(jīng)費(fèi)研發(fā)電動(dòng)車電池，但至今仍未商業(yè)化?？紤]到這些國(guó)家的產(chǎn)業(yè)研發(fā)都有資本家投入巨額資金，而資本家的趨利本性決定了他們發(fā)現(xiàn)好的市場(chǎng)苗頭會(huì)繼續(xù)追加資本投入。這些國(guó)家相繼放棄電動(dòng)車作為國(guó)家戰(zhàn)略，這一事實(shí)發(fā)人深思。
新能源車也占據(jù)了環(huán)保的道德高地。不斷有論述稱，使用電池可以減少汽車尾氣排放，改善城市空氣質(zhì)量。然而這些論述同樣經(jīng)不起推敲。雖然新能源車用電的現(xiàn)場(chǎng)污染物排放量較少，但產(chǎn)電階段涉及較大量的污染物排放，且目前中國(guó)新能源車的產(chǎn)電大多數(shù)是燃煤產(chǎn)生。電池回收不利造成嚴(yán)重的環(huán)境污染還不在此論述中，將在下文展開。
2017年底，德國(guó)將在2030年全面禁售燃油汽車的消息在網(wǎng)上傳得沸沸揚(yáng)揚(yáng)[3]。工信部官員在行業(yè)論壇上表示，工業(yè)部也啟動(dòng)了相關(guān)研究，將協(xié)同相關(guān)部門制定我國(guó)的時(shí)間表[4]。此言引發(fā)熱議。這一表態(tài)似乎預(yù)示著這種可能性：新能源車將最終一家獨(dú)大，成為汽車領(lǐng)域唯一通用車型，而燃油車則是落后的、將被歷史淘汰的。如此政策導(dǎo)向，倘若屬實(shí)，勢(shì)必將影響中國(guó)汽車工業(yè)的整體布局與發(fā)展方向。然而，據(jù)考證，德國(guó)2030年全面禁售燃油汽車的禁令并不屬實(shí)，事實(shí)上是德國(guó)參議院通過(guò)的“倡議書”，不具備法律效力[5]，隨后德國(guó)交通運(yùn)輸部長(zhǎng)立即否認(rèn)了該項(xiàng)禁令的可行性，認(rèn)為是“無(wú)稽之談”。交通部長(zhǎng)不通過(guò)的禁令，在國(guó)會(huì)不可能通過(guò)，故全面禁售燃油汽車是眾多提議中的一紙空文而已。至于中國(guó)禁售燃油汽車的相關(guān)研究，則情況更為復(fù)雜，更不能受虛假消息誤導(dǎo)而盲目跟風(fēng)。
據(jù)國(guó)家能源局官員在2017第二屆中國(guó)電動(dòng)汽車充換電服務(wù)創(chuàng)新高峰論壇表示，2020年我國(guó)新能源汽車總量規(guī)劃達(dá)到500萬(wàn)輛，2030年將達(dá)到8000萬(wàn)輛。這樣的新能源車發(fā)展目標(biāo)，將帶來(lái)的諸方壓力——無(wú)論是成本上的、環(huán)境上的，還是用電上的，都需要納入評(píng)估范圍。
支持新能源車的諸多言論，顯示出推動(dòng)新能源車迅猛發(fā)展的強(qiáng)烈意愿，但事關(guān)中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展與布局的決策，有必要將分析扎根于更客觀具體、符合科學(xué)規(guī)律的論據(jù)之上。本文將結(jié)合在清潔能源領(lǐng)域的長(zhǎng)期研究，從電池能量密度、電池生產(chǎn)成本、電池環(huán)境污染三方面論述發(fā)展新能源車存在的瓶頸和風(fēng)險(xiǎn)，以資參考。
新能源車發(fā)展的瓶頸與風(fēng)險(xiǎn)分析
法國(guó)人普蘭特于1859年發(fā)明了鉛酸電池，甚至比內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明時(shí)間（1880年前后）還要早。盡管近百年來(lái)，全球在各類電池的研發(fā)上投入了數(shù)千億美元的巨資，但在技術(shù)上和電池的性價(jià)比上并沒(méi)有革命性的突破，比如鉛酸電池的體積能量密度仍只有100kWh/m3左右（如圖1及表1所示，部分?jǐn)?shù)據(jù)源自文獻(xiàn)[6]）。目前，內(nèi)燃機(jī)汽車?yán)镉玫男铍姵卮蟛糠秩匀皇倾U酸電池。目前即使是進(jìn)口的高級(jí)轎車，其蓄電池也仍然大多用傳統(tǒng)的蓄電池；這說(shuō)明新一代電池的性價(jià)比仍然無(wú)法與傳統(tǒng)的蓄電池競(jìng)爭(zhēng)。
圖1. 各種能源載體的能量密度
注：鋰電池的模塊與單體相比，質(zhì)量能量密度與體積能量密度均有一定程度的減損；整車應(yīng)用關(guān)注的是鋰電池模塊的能量密度。根據(jù)已有行業(yè)數(shù)據(jù)，目前鋰電池模塊的密度值在1~2kg/L范圍，由此可基本確定鋰電池模塊的質(zhì)量能量密度與體積能量密度的相互關(guān)系。
從上表看到，盡管人類在近百年來(lái)都一直在開發(fā)新的電池，但花了千億美元以上的研發(fā)費(fèi)用，目前最好的電池在體積能量密度上與傳統(tǒng)的鉛酸電池相比并沒(méi)有革命性的突破。事實(shí)上，有了鉛酸電池和電動(dòng)機(jī)后人類就等于已經(jīng)發(fā)明了電動(dòng)車，但為何鉛酸電池和電動(dòng)機(jī)發(fā)明了這么多年，人類仍然用內(nèi)燃機(jī)汽車而沒(méi)有大規(guī)模使用電動(dòng)車，其原因何在？作者經(jīng)研究總結(jié)如下。
2.1 動(dòng)力電池能量密度瓶頸長(zhǎng)期難以突破，與化石能源差距大
動(dòng)力電池能量密度指的是一定空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲(chǔ)存能量的大小，是新能源車發(fā)展中的技術(shù)重點(diǎn)，直接關(guān)系到電動(dòng)車的性能和續(xù)航里程?，F(xiàn)代汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較固定，留給電池組的空間有限，電池?cái)?shù)量被限制在某個(gè)區(qū)間內(nèi)無(wú)法大幅提升，因此增加電量的關(guān)鍵在于提高電池能量密度。2017年2月四部門聯(lián)合發(fā)布的《促進(jìn)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)方案》提出“力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)單體350Wh/kg、系統(tǒng)260Wh/kg的新型鋰離子產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化和整車應(yīng)用”的發(fā)展目標(biāo)，顯示出攻關(guān)提高動(dòng)力電池能源密度的愿望。
然而制約性現(xiàn)實(shí)是，電動(dòng)汽車所用的鋰電池屬于化學(xué)能，能量密度存在天花板。目前制約鋰離子電池發(fā)展的主要因素是正極材料的能量密度，然而大多數(shù)正極材料都含有過(guò)渡金屬元素，其摩爾質(zhì)量較大，能量密度提高受限[7]。提高電池電壓也可提高能量密度，但目前所使用的電解液在高電壓下使用將面臨分解，也難以操作。再加上能夠滿足鋰離子電池諸多要求的材料極其有限，在不改變電池體系的情況下，鋰離子電池能量密度很難繼續(xù)提高。
電池能量密度在歷史上一直是攻關(guān)難點(diǎn)且進(jìn)展緩慢。自1992年索尼將鋰離子電池商業(yè)化后，鋰離子電池已經(jīng)發(fā)展了近三十年，在能量密度方面雖有進(jìn)步，但總體進(jìn)步幅度不大。2017年能量密度領(lǐng)先的圓柱形電池達(dá)到150Wh/kg，比2012年的120Wh/kg有小幅提升，而軟包和方殼電池的能量密度目前還在110-130Wh/kg左右。技術(shù)上領(lǐng)先的特斯拉采用的松下18650鈷酸鋰電池，能量密度也只達(dá)到233Wh/kg。[8-9]
在過(guò)去五到十年內(nèi)，在全球各大公司投入大量資源和大筆研究經(jīng)費(fèi)的情況下，鋰電池能量密度的提升幅度仍然只有幾十Wh/kg，能量密度最高達(dá)到230Wh/kg左右，這相比于汽油柴油的能量密度11000-12000Wh/kg，量級(jí)相差懸殊（詳見表1）。盡管人類花了幾十年和上千億美元研發(fā)電池技術(shù)，但迄今電動(dòng)車的動(dòng)力系統(tǒng)（電池+電動(dòng)機(jī)）的能量密度迄今仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)（汽柴油+內(nèi)燃機(jī)），可差20~30倍。由圖1可見，即使終極電池獲得成功應(yīng)用并能將生產(chǎn)成本降下來(lái)，其體積能量密度也只有汽柴油的1/8左右。電池能量密度在未來(lái)十年內(nèi)是否可能實(shí)現(xiàn)大幅突破，受制于技術(shù)研發(fā)的內(nèi)部規(guī)律，非僅憑主觀意愿可以達(dá)到，不宜盲目樂(lè)觀。
2.2 受限于鋰、鈷、鎳的稀缺性，新能源車成本可能隨產(chǎn)量增加而大幅攀升
內(nèi)燃機(jī)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)好于電池。人類的第一條流水生產(chǎn)線是福特的汽車生產(chǎn)線。內(nèi)燃機(jī)作為汽車的心臟，一旦已獲知其設(shè)計(jì)制造方法，其生產(chǎn)成本主要體現(xiàn)為鑄鐵及鋁合金等材料成本。福特研發(fā)出的內(nèi)燃機(jī)生產(chǎn)流水線，大大提高了規(guī)模效益，使得汽油機(jī)隨著產(chǎn)量的增大而成本大幅降低。盡管生產(chǎn)第一臺(tái)樣機(jī)時(shí)投入較大，可一旦技術(shù)成熟到量產(chǎn)階段，當(dāng)一條生產(chǎn)線年產(chǎn)一百萬(wàn)臺(tái)內(nèi)燃機(jī)時(shí)，每臺(tái)內(nèi)燃機(jī)的成本可以降低至2000美元左右。
相比于內(nèi)燃機(jī)會(huì)隨著量產(chǎn)而降低成本，新能源車卻很可能呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。新能源車的生產(chǎn)成本中，電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)占了汽車成本的30-45%，其中動(dòng)力電池又占了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)75-85%的成本構(gòu)成，成本尤高的是電池中用到的鋰、鈷、鎳等稀缺金屬。一臺(tái)新能源車的動(dòng)力電池，要使用幾十千克的鋰、鈷、鎳等原材料，生產(chǎn)1萬(wàn)臺(tái)和生產(chǎn)10萬(wàn)臺(tái)，每臺(tái)車的成本下降幅度有限。鋰、鈷、鎳在地殼內(nèi)儲(chǔ)量中占比很低，鈷僅占0.004%左右，鋰占0.003%左右，屬于重要戰(zhàn)略資源。目前我國(guó)80%的鈷以及70%的鋰、鎳資源都依賴進(jìn)口[10]。我國(guó)鈷產(chǎn)量不到幾千噸，使用量卻達(dá)幾萬(wàn)噸，大量依靠從非洲民主剛果等國(guó)進(jìn)口，持續(xù)處于供不應(yīng)求狀態(tài)。過(guò)去兩年鈷、鋰礦大幅漲價(jià)，比亞迪公司布局全產(chǎn)業(yè)鏈爭(zhēng)買鋰礦，已經(jīng)顯示出動(dòng)力電池增產(chǎn)可能給鋰礦資源帶來(lái)的挑戰(zhàn)。
現(xiàn)階段新能源汽車占我國(guó)機(jī)動(dòng)車的比例還相對(duì)比較小，我國(guó)新能源車2016年產(chǎn)量為51.6萬(wàn)輛，2017年增加至79.4萬(wàn)輛，僅分別約占我國(guó)目前汽車年產(chǎn)量2900萬(wàn)輛的1.8%和2.7%。2017年新能源車產(chǎn)量相比2016年僅有27.8萬(wàn)輛的增加，但2016年初至今的兩年多時(shí)期內(nèi)，國(guó)際鈷價(jià)格翻到了約4倍水平（如圖2所示）[11]、鋰價(jià)格上漲了近1倍。美國(guó)保持為電動(dòng)車第二大市場(chǎng)，電動(dòng)汽車銷售數(shù)量從2016年的16萬(wàn)輛增長(zhǎng)到2017年銷售的僅28萬(wàn)輛[12]，在汽車總銷售量中所占比例非常小。假設(shè)中國(guó)產(chǎn)量翻幾番，按預(yù)期2020年達(dá)到500萬(wàn)輛，相當(dāng)于翻到了7倍；全球范圍IEA估計(jì)到2020年，全球電動(dòng)車總量可能翻三倍，達(dá)到1300萬(wàn)輛[12]。暫且不論原材料需求是否能完全滿足，即便能滿足，對(duì)鋰、鈷等重金屬元素的大量需求帶來(lái)成本的飛漲，可能將電動(dòng)車生產(chǎn)成本推高到難以承受的范圍[13]；除非有革命性的新技術(shù)突破。
圖2. 倫敦金屬交易所鈷價(jià)格走勢(shì)圖(2016.01 – 2018.05)
因此在短期之內(nèi)，如沒(méi)有重大的革命性的技術(shù)突破，用電動(dòng)車在可見的未來(lái)完全取代內(nèi)燃機(jī)汽車是缺乏依據(jù)的。盡管技術(shù)的突破有可能發(fā)生，但在未發(fā)生之前，不能盲目樂(lè)觀。促進(jìn)技術(shù)革命的一條重要途徑是加大研發(fā)支持力度，而產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼很可能與促進(jìn)技術(shù)革命的初衷背道而馳。
2.3 新能源車帶來(lái)的嚴(yán)峻環(huán)境污染挑戰(zhàn)和電池回收難題
電動(dòng)車的一大賣點(diǎn)是在使用的地方局部排放少，這對(duì)其用于人口密集的市區(qū)里跑的出租車、公共汽車，有其優(yōu)越性。但中國(guó)電網(wǎng)里的電目前是67%靠煤，即使在2050年，中國(guó)仍然有50%的電靠煤來(lái)發(fā)；那么表面是我們是用電開車，實(shí)際上我們目前主要是用煤開車。加上電池在生產(chǎn)過(guò)程和未來(lái)回收的碳排放，電動(dòng)車的碳排放量及污染物排放量與今天的燃油車相比，是增加了而不是減少了。根據(jù)全生命周期分析[14]，在全球增溫潛能影響方面，電動(dòng)汽車的負(fù)面影響比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車低24%，比柴油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車低10%-14%。但如果考慮到電動(dòng)汽車所使用的電力來(lái)源，情況就不同了：2017年煤電占全國(guó)發(fā)電量的67%，電動(dòng)汽車使用煤電為主的電力，其對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響甚至高出柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)17%-27%。根據(jù)清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)于2017年發(fā)表在國(guó)際著名期刊《應(yīng)用能源》上的研究成果顯示，中國(guó)的新能源汽車在其生產(chǎn)制造過(guò)程，所產(chǎn)生的溫室氣體排放量實(shí)際上比內(nèi)燃機(jī)汽車高出50%[15]。
電動(dòng)汽車電池的生產(chǎn)也耗費(fèi)了大量的電力：初期制造一輛電動(dòng)汽車和電池的碳排放量占到了電動(dòng)汽車整個(gè)使用周期碳排放量的40%左右，相當(dāng)于制造一輛汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車碳排放量的兩倍。
更嚴(yán)峻的環(huán)境污染挑戰(zhàn)或許還來(lái)自新能源車報(bào)廢電池帶來(lái)的污染。與我國(guó)規(guī)模龐大的動(dòng)力電池市場(chǎng)相伴隨的是動(dòng)力電池報(bào)廢量的快速增長(zhǎng)。電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的使用壽命通常為5-8年，從2017年起我國(guó)將迎來(lái)首批動(dòng)力電池退役潮。據(jù)統(tǒng)計(jì)：到2020年，我國(guó)動(dòng)力鋰電池的報(bào)廢量將達(dá)32.2GWh，約50萬(wàn)噸；到2023年，報(bào)廢量將達(dá)到101GWh，約120萬(wàn)噸[16]。
動(dòng)力電池中所含的鎳、鈷、錳等重金屬，以及電解液、含氟有機(jī)物都是重污染物。例如，鈷金屬是一種高致癌毒物，人接觸鈷金屬可能導(dǎo)致肺、神經(jīng)和呼吸道病變；動(dòng)力電池電解液中的六氟磷酸鋰在空氣環(huán)境中容易水解產(chǎn)生五氟化磷、氟化氫等有害物質(zhì)，對(duì)人體、動(dòng)植物有強(qiáng)烈腐蝕作用；廢舊動(dòng)力電池中還含有300-1000V不等的高壓，在回收、拆解、處理過(guò)程中操作不當(dāng)可能帶來(lái)起火爆炸、重金屬污染、有機(jī)物廢氣排放等多種問(wèn)題。
國(guó)家意識(shí)到電池回收的重要性，2016年國(guó)家發(fā)改委牽頭制定了《新能源汽車動(dòng)力蓄電池回收利用技術(shù)政策》，2017年國(guó)標(biāo)委發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《車用動(dòng)力電池回收利用拆解技術(shù)規(guī)范》，但是，這些政策和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)作為指導(dǎo)文件，對(duì)于經(jīng)營(yíng)規(guī)范的骨干企業(yè)有參考作用，對(duì)于不法貿(mào)易商來(lái)說(shuō)則缺乏約束效力。我國(guó)動(dòng)力電池行業(yè)在回收方面面臨的主要挑戰(zhàn)包括：我國(guó)在電池回收技術(shù)方面較為薄弱，沒(méi)有形成產(chǎn)業(yè)化供應(yīng)鏈；國(guó)內(nèi)汽車生產(chǎn)企業(yè)使用的電池多樣，每家電池企業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，再利用前檢測(cè)難度較大；電池回收方主要以小作坊為主，工藝水平不健全，較難保證安全回收；沒(méi)有經(jīng)營(yíng)許可的企業(yè)非法從事廢舊動(dòng)力電池回收，更會(huì)帶來(lái)安全和環(huán)保隱患。
電池中的重金屬能夠誘使人們回收電池嗎？事實(shí)是，雖然鋰、鎳、鈷等元素價(jià)格很高，但要完成整套回收獲取這些金屬的收益，其成本高過(guò)開掘新礦——這勢(shì)必會(huì)帶來(lái)電池回收動(dòng)力缺乏。如不回收，當(dāng)幾百萬(wàn)個(gè)劇毒的廢舊電池分布在中國(guó)各地，當(dāng)這些劇毒品泄露后，對(duì)土壤及地下水的污染將是環(huán)境的災(zāi)難。
伴隨新能源汽車高速發(fā)展產(chǎn)生的大量動(dòng)力電池報(bào)廢，以及其背后的回收難題、污染威脅，實(shí)際已迫在眉睫。
2.4 其他技術(shù)與市場(chǎng)因素
除以上電池能量密度、材料資源、環(huán)保因素，還需要關(guān)注以下幾點(diǎn)與新能源車發(fā)展相關(guān)的技術(shù)與市場(chǎng)因素。
2.4.1 液體燃料的優(yōu)勢(shì)
除汽柴油的能量密度遠(yuǎn)高于電池（見表1及表2）外，液體燃料的儲(chǔ)運(yùn)遠(yuǎn)比氣體能源（如天然氣）和固體能源（如電池或煤）方便易行。液體燃料在陸上可以管路輸送，在海上可以通過(guò)郵輪大規(guī)模低成本輸運(yùn)。1加侖（合3.78L）汽柴油從休斯頓運(yùn)到歐洲，其運(yùn)輸成本不到零售價(jià)的1%。這也是人類選擇“液體燃料+內(nèi)燃機(jī)”的主要原因之一。
液體燃料的加注設(shè)施已非常普遍而且加注用時(shí)短。相比而言，電動(dòng)汽車在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，充電難和充電慢問(wèn)題預(yù)期均無(wú)法得到有效解決。除少數(shù)一線大城市的充電設(shè)施配套政策與財(cái)力支持相對(duì)到位，在全國(guó)范圍內(nèi)建設(shè)充電基礎(chǔ)設(shè)施的投資需求量巨大，資金缺口也大，在規(guī)劃布局、施工和用電等方面面臨諸多挑戰(zhàn)；社會(huì)公共充電設(shè)施、社區(qū)內(nèi)充電設(shè)施建設(shè)均面臨利益主體多而分散、難以統(tǒng)一協(xié)調(diào)的難題，各方面因素導(dǎo)致充電設(shè)施不足，充電難。同時(shí)，充電慢的問(wèn)題導(dǎo)致純電動(dòng)汽車的實(shí)用性和便利性受到明顯限制；以220V交流充電樁為例，在電池容量20 kWh左右的情況下，一輛車要5-8小時(shí)才能夠充滿電。
2.4.2 頁(yè)巖氣革命改變了世界能源的格局
頁(yè)巖氣革命是數(shù)十年能源領(lǐng)域最大的突破，徹底改變了十余年前由于油氣價(jià)格飛漲帶給全球的恐慌。當(dāng)油價(jià)在140美元/桶、天然氣價(jià)格高達(dá)17美元/百萬(wàn)英熱值（約合0.56美元/立方米）時(shí)，人們普遍感到這個(gè)世界上油氣資源快要耗完的恐慌。在氣候變暖和油氣即將耗完兩大推手下，全球各種新能源技術(shù)尤其是各種新能源汽車研發(fā)在1995-2015年這大約20年內(nèi)風(fēng)起云涌，各國(guó)都投巨資開發(fā)新能源汽車。但頁(yè)巖氣革命的到來(lái)，讓世界突然發(fā)現(xiàn)有200年用不完的廉價(jià)天然氣，美國(guó)的天然氣價(jià)格從最高約17美元/百萬(wàn)英熱值一路狂降到1.5美元/百萬(wàn)英熱值，目前平衡到2.5美元/百萬(wàn)英熱值左右；同樣由于頁(yè)巖氣頁(yè)巖油革命，世界上又不斷發(fā)現(xiàn)大油田。僅美國(guó)德州一個(gè)二疊紀(jì)大油田的石油產(chǎn)量相當(dāng)于全中國(guó)的石油產(chǎn)量，產(chǎn)油成本只有約16美元/桶。另外，在奧巴馬擔(dān)任美國(guó)總統(tǒng)時(shí)期，中美聯(lián)手推動(dòng)巴黎氣候協(xié)議的簽署；但特朗普一上臺(tái)，全面否認(rèn)氣候變暖。這些近年來(lái)發(fā)展電動(dòng)車的多項(xiàng)基本前提假設(shè)，已發(fā)生了重大的改變，因此也要求我們?cè)趪?guó)內(nèi)外能源的大變局下重新審視我們新能源尤其是新能源汽車的戰(zhàn)略。
2.4.3 內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的進(jìn)步
內(nèi)燃機(jī)技術(shù)尤其是歐洲的柴油機(jī)技術(shù)近年來(lái)突飛猛進(jìn)。美日的汽油小轎車全部考慮在內(nèi)，目前的平均里程是32英里/加侖汽油（合13.6公里/升）；而歐洲的新型柴油轎車其里程數(shù)可高達(dá)80英里/加侖柴油（合34公里/升）。歐洲的燃料稅很高，導(dǎo)致燃油成本高昂，一輛轎車跑10年下來(lái)，其油錢遠(yuǎn)高于汽車本身。因此，歐洲的消費(fèi)者非常重視汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。因柴油車效率高，目前歐洲市場(chǎng)一半的新車是柴油車（石油煉制只能產(chǎn)約一半的柴油產(chǎn)品，另一半汽油產(chǎn)品仍依賴汽油車使用）?，F(xiàn)代先進(jìn)的柴油機(jī)不僅其燃油效率大大提高，遠(yuǎn)好于汽油機(jī)，而且其污染排放（NOx、PM、HC等）和噪音水準(zhǔn)也完全可以和最好的汽油機(jī)媲美。圖3給出了歐美重載柴油機(jī)NOx/PM排放標(biāo)準(zhǔn)近二十余年來(lái)發(fā)生的巨大變化，目前歐美的柴油機(jī)在清潔燃燒與尾氣排放控制技術(shù)方面的確取得了革命性的突破：
歐洲的排放標(biāo)準(zhǔn)從1992年的歐I到2013年的歐VI，對(duì)85 kW以下及以上功率機(jī)型顆粒物PM的最大允許排放量分別降低至1/61和1/36，對(duì)所有功率機(jī)型氮氧化物NOx最大允許排放量降低至1/20（如圖3a所示）；
美國(guó)的排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，排放控制技術(shù)相應(yīng)更新?lián)Q代，至2007年，PM、NOx的最大允許排放量分別降低至1988年的1/60和1/54（如圖3b所示）。
(a) 歐洲重載柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)
(b) 美國(guó)重載柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)
圖3. 歐美重載柴油機(jī)NOx/PM排放標(biāo)準(zhǔn)的變化(1 hp-hr = 0.746 kWh, Euro表示歐洲標(biāo)準(zhǔn), US表示美國(guó)標(biāo)準(zhǔn))
此外，甲醇取代柴油在柴油機(jī)（高壓縮比內(nèi)燃機(jī)）里燃燒的技術(shù)已取得了相當(dāng)?shù)耐黄?，產(chǎn)業(yè)化前景良好。甲醇不僅比柴油便宜，而且因甲醇不含硫、燃燒過(guò)程無(wú)SOx排放、NOx排放遠(yuǎn)低于柴油等有利因素，可使得內(nèi)燃機(jī)尾氣排放會(huì)更干凈、尾氣處理系統(tǒng)成本可以大幅度降低，甲醇將成為非常理想的發(fā)動(dòng)機(jī)清潔燃料。天然氣制甲醇的技術(shù)非常成熟，制甲醇過(guò)程的主要成本是天然氣原料成本，因此可由頁(yè)巖氣革命帶來(lái)的天量廉價(jià)天然氣大規(guī)模地制得低成本的甲醇；同時(shí)，甲醇可以用低成本的煤來(lái)大規(guī)模清潔化制備。由此，無(wú)論從近期還是中長(zhǎng)期來(lái)看，甲醇燃料的大規(guī)模低成本供應(yīng)是有保障的。由此可知，研發(fā)新型的甲醇基燃料的內(nèi)燃機(jī)，可以讓我們不僅享受歐洲柴油機(jī)技術(shù)革命帶來(lái)的紅利，還可以享受頁(yè)巖氣革命帶來(lái)的紅利。這條路不失為今后汽車的選擇之一，其成本將遠(yuǎn)小于電動(dòng)車。
內(nèi)燃機(jī)技術(shù)尤其是歐洲的柴油機(jī)技術(shù)在近二三十年內(nèi)獲得了革命性突破和發(fā)展，在交通運(yùn)輸動(dòng)力主要依賴油氣資源的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，將為人類提供高效、清潔的燃油車解決方案；對(duì)比觀察同期內(nèi)的電動(dòng)車技術(shù)領(lǐng)域，已投入了大量的人力、研發(fā)資金與產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼，其進(jìn)步比較有限，仍存在動(dòng)力電池能量密度受限、制造成本高及伴生環(huán)境污染等亟待解決的問(wèn)題，其產(chǎn)業(yè)化及行業(yè)可持續(xù)發(fā)展存在瓶頸。
眾所周知，應(yīng)把電動(dòng)車與現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)技術(shù)進(jìn)行比照，而不是與二三十年前的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)對(duì)比，不能忽視近些年來(lái)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的革命性發(fā)展。電動(dòng)車將是未來(lái)汽車的選項(xiàng)之一，在出租車、公共汽車等人口密集的地方有它的優(yōu)勢(shì)，但說(shuō)電池在可見的未來(lái)，完全取代內(nèi)燃機(jī)，還有些太樂(lè)觀；尤其是在越野車、卡車、飛機(jī)、輪船等應(yīng)用領(lǐng)域，不可能在可見的未來(lái)被電池取代。反而，如果能在先進(jìn)的高壓縮比內(nèi)燃機(jī)里燃燒清潔、低成本、可由非常規(guī)天然氣批量制備的甲醇，其排放將可在目前歐洲的排放標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)一步顯著降低。
以上幾大類瓶頸因素及挑戰(zhàn)，均是電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)發(fā)展所必須謹(jǐn)慎考慮和想辦法解決的，僅通過(guò)政府補(bǔ)貼是很難扭轉(zhuǎn)的。研討及制定電動(dòng)車的發(fā)展戰(zhàn)略，需要充分了解新能源車與內(nèi)燃機(jī)車兩大類技術(shù)的歷史和現(xiàn)狀。國(guó)家為發(fā)展新能源車給出大額產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼，在推動(dòng)新能源車產(chǎn)業(yè)急速壯大的積極面以外，可能帶來(lái)扭曲市場(chǎng)供需、推高新能源車價(jià)格的負(fù)面后果，不利于新能源車的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。
小結(jié)與建議
本文基于對(duì)清潔能源領(lǐng)域的研究，陳述了新能源車發(fā)展中面臨的主要瓶頸因素和風(fēng)險(xiǎn)：電池能量密度天花板難打破；鋰鎳鈷等重金屬原材料稀缺，電池產(chǎn)量倍增后這些原材料成本飆升在沒(méi)有革命性技術(shù)突破前難降低；電池生產(chǎn)和電能生產(chǎn)過(guò)程涉及大量碳排放，并不一定節(jié)能環(huán)保；電池重金屬污染嚴(yán)重，回收在技術(shù)上、動(dòng)力上、體系保障上困難重重。這些觀點(diǎn)從一定程度上挑戰(zhàn)了市面上流行的對(duì)新能源車的認(rèn)知，并引發(fā)我們思考：“彎道超車”的論調(diào)是否有現(xiàn)實(shí)依據(jù)，是技術(shù)上確實(shí)值得發(fā)展的方向？大量依靠鋰鎳鈷進(jìn)口的中國(guó)，新能源車產(chǎn)量成倍增長(zhǎng)會(huì)帶來(lái)怎樣的經(jīng)濟(jì)成本上的風(fēng)險(xiǎn)？
這些議題的提出，引發(fā)我們?cè)陉P(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上重新思考新能源車的發(fā)展戰(zhàn)略：我們是否要不遺余力地推動(dòng)新能源車作為汽車產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)方向？是否要繼續(xù)靠產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼來(lái)推動(dòng)新能源車大量生產(chǎn)？
本文認(rèn)為，新能源車作為未來(lái)汽車發(fā)展方向之一是值得鼓勵(lì)的，在技術(shù)研發(fā)上也值得投入，但沒(méi)有必要做政策力推和大幅度產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼?？空_認(rèn)技術(shù)的方式可能導(dǎo)致市場(chǎng)的扭曲，因供需不平衡而帶來(lái)成本攀升，反而不利于行業(yè)健康發(fā)展。中國(guó)的新能源汽車產(chǎn)業(yè)不宜靠著國(guó)家的支持來(lái)拼燒，而忽視技術(shù)上的、成本上的、環(huán)境上的諸多客觀條件的限制。
本文建議整個(gè)汽車工業(yè)都應(yīng)當(dāng)密切關(guān)注各種技術(shù)的進(jìn)步，包括汽油車、柴油車、電動(dòng)車、燃料電池汽車、甲醇汽車等，因?yàn)榧夹g(shù)的發(fā)展是不可完全預(yù)測(cè)的，需要緊密關(guān)注與長(zhǎng)期投入。對(duì)于多種新技術(shù)在研發(fā)上都要支持，但不要輕易做產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼，在公平市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下讓更有效益的技術(shù)勝出，這樣可以降低政府決策風(fēng)險(xiǎn)；因政府在研發(fā)上的投入是有限的，而產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼是無(wú)底洞。
液體燃料的加注設(shè)施已非常普遍而且加注用時(shí)短。相比而言，電動(dòng)汽車在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，充電難和充電慢問(wèn)題預(yù)期均無(wú)法得到有效解決。除少數(shù)一線大城市的充電設(shè)施配套政策與財(cái)力支持相對(duì)到位，在全國(guó)范圍內(nèi)建設(shè)充電基礎(chǔ)設(shè)施的投資需求量巨大，資金缺口也大，在規(guī)劃布局、施工和用電等方面面臨諸多挑戰(zhàn)；社會(huì)公共充電設(shè)施、社區(qū)內(nèi)充電設(shè)施建設(shè)均面臨利益主體多而分散、難以統(tǒng)一協(xié)調(diào)的難題，各方面因素導(dǎo)致充電設(shè)施不足，充電難。同時(shí)，充電慢的問(wèn)題導(dǎo)致純電動(dòng)汽車的實(shí)用性和便利性受到明顯限制。
需要強(qiáng)調(diào)的是，本文是在對(duì)迄今已公開發(fā)表的成果進(jìn)行綜合分析而得出的結(jié)論。作者一貫支持國(guó)家加大對(duì)新能源汽車相關(guān)技術(shù)研發(fā)的投入，因?yàn)榧夹g(shù)的革命性突破無(wú)法預(yù)測(cè)，可能是一年，可能是十年，某些方向也可能永遠(yuǎn)沒(méi)有突破。如果突然有革命性的成果出現(xiàn)，也可能改變本文的結(jié)論，但只有這種突破發(fā)生后，我們才能進(jìn)行分析；而不是預(yù)測(cè)什么時(shí)候技術(shù)會(huì)有革命性突破。產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼不會(huì)產(chǎn)生技術(shù)革命，只有加大研發(fā)力度，技術(shù)革命才有可能產(chǎn)生。產(chǎn)業(yè)政策在技術(shù)革命發(fā)生后才能制定，而不是期望產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼產(chǎn)生技術(shù)革命。
新能源車在人口密集的城市作為出租車、公共汽車等有其優(yōu)勢(shì)；如果沒(méi)有革命性的技術(shù)突破，電動(dòng)車很難在可見的未來(lái)成為主流；因此，本文建議加大包括電動(dòng)汽車、燃料電池汽車及甲醇車等多種汽車技術(shù)的研發(fā)，但在技術(shù)發(fā)明沒(méi)有突破之前，產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼要謹(jǐn)慎。在公平市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下讓有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)勝出，更利于行業(yè)長(zhǎng)期健康發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1] 中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì). 2017年汽車工業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況[EB/OL]. http://www.caam.org.cn/xiehuidongtai/20180111/1605214622.html, 2018-01-11.
[2] 邱海峰. 超車道上的中國(guó)汽車[N]. 人民日?qǐng)?bào)海外版, 2018-01-09(6).
[3] 亦可. 德國(guó)2030年將禁售燃油車, 遭德汽車協(xié)會(huì)強(qiáng)烈反對(duì)[EB/OL]. 騰訊新聞網(wǎng), http://auto.qq.com/a/20161010/007139.htm, 2016-10-10.
[4] 吳曉琴, 王晴. 加快新能源汽車產(chǎn)業(yè)布局, 工信部已啟動(dòng)研究制訂燃油車禁售時(shí)間表[EB/OL]. 人民網(wǎng), http://auto.people.com.cn/n1/2017/0909/c1005-29525101.html, 2017-09-09.
[5] 劉冠偉. 歐洲多國(guó)禁售燃油車是真的嗎[N]. 中國(guó)能源報(bào), 2017-10-09(10).
[6] A. Züttel, A. Remhof, A. Borgschulte, et al. Hydrogen: the future energy carrier [J]. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 2010, 368(1923): 3329–3342.
[7] 彭佳悅, 祖晨曦, 李泓. 鋰電池基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題(I)——化學(xué)儲(chǔ)能電池理論能量密度的估算[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2013, 2(1): 55-62.
[8] 劉焱, 胡清平, 陶芝勇等. 鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 中國(guó)高新科技, 2018, 2(7): 58-64.
[9] M. Anderman. The Tesla Battery Report [R]. http://www.teslaforum.dk/ow_userfiles/plugins/forum/attachment_636_54a33dbc0e1f4_54a33da234c5f_Extract-from-the-Tesla-battery-report.pdf, 2014-11-12.
[10] 劉良恒. 警惕動(dòng)力電池報(bào)廢潮引發(fā)二次污染[N]. 經(jīng)濟(jì)參考報(bào), 2017-09-26(5).
[11] 倫敦金屬交易所(London Metal Exchange)公開數(shù)據(jù)[EB/OL]. http://www.lme.com/Metals/Minor-metals/Cobalt#tabIndex=0
[12] International Energy Agency (IEA). Global EV Outlook 2018: Towards Cross-Modal Electrification [R]. http://webstore.iea.org/global-ev-outlook-2018, 2018-05-30.
[13] 陳亮. 鈷價(jià)年內(nèi)翻番, 千億汽車電池市場(chǎng)地震[J]. 財(cái)經(jīng), 2018, 第1期(總第518期). http://magazine.caijing.com.cn/20180112/4393511.shtml, 2018-01-08.
[14] T. R. Hawkins, B. Singh, G. Majeau-Bettez, et al. Comparative Environmental Life Cycle Assessment of Conventional and Electric Vehicles [J]. Journal of Industrial Ecology, 2012, 7(1): 53-64.
[15] Q. Y. Qiao, F. Q. Zhao, Z. W. Liu, et al. Cradle-to-gate greenhouse gas emissions of battery electric and internal combustion engine vehicles in China [J]. Applied Energy, 2017, 204: 1399-1411.
[16] 區(qū)漢成. 加快廢舊動(dòng)力電池回收體系建設(shè)[N]. 中國(guó)能源報(bào), 2017-09-11(9).
