革命性材料让可持续电动公路成为现实

交通部门被证显著加剧全球气候变化和二氧化碳排放[1]。电动汽车(EV)被视为向清洁能源星球过渡的战略重要性[2]。

广泛采用EV有望带来诸多环境、社会、经济效益：最小化空气污染物、城市空气更洁净、噪音排放减少、经济提振[3]。当能源转向风能太阳能等清洁能源时，EV能大幅降低能耗和温室气体排放[4][5]。

EV广泛采用益处显著，但普及挑战依大。虽EV近年在性能和续航显著发展，仍受限于电池重量体积成本、充电基建网络缺失或薄弱、充电耗时长、成本相对传统车高[3]。

发展EV基建是实现广泛采用必须面对的关键问题。此背景下，电动公路发挥重要作用，可克服EV扩散限制。

EV电池局限

解决EV关键局限，推动电池技术开发优化似显而易见。但假设电池技术改进成功，仍有气候、环境、资源获取等挑战待跨越。

EV电池可持续性顾虑尚未完全消解。根本上，须弄清锂、钴、镍这三种锂离子牵引电池关键金属能否可持续开采，不违背EV作为可持续手段的根本假设[6]。

例如，钴矿开采高度集中于世界最不发达国家之一刚果民主共和国。该国钴价值链透明度有限，且有强证据显示侵犯人权、危险工况、强迫劳动、童工[7][8]。锂供应商须应对道德采购考量。且不保证锂离子电池需求总能覆盖[9][10]。

EV充电技术

技术改进涉及EV充电技术。当前EV充电技术可分插拔式、传导式、感应式。

插拔式充电兼容几乎所有现有EV，但需停车物理插入能源。传导式充电技术中，EV行驶中通过集电弓接触输电线，允许短时高能量传输。

较新感应式技术即无线电力传输(WPT)，行驶中或短暂停靠时通过感应耦合无线向EV传输功率[2][11]。
简述WPT技术：

• 电网电力向发射线圈送电流；
• 电流产生磁场；
• 磁场在同频接收线圈感应电流；

虽非成熟技术，WPT可克服阻碍EV扩散诸多限制[12]。

感应技术提供诸多优势[13]：

• 电池续航增加，缓解里程焦虑；
• 电池更小充电更快，提升机动性；
• 驾驶员无需应对脏污潜在危险线缆(雨、线缆、破坏等)，充电过程更简易。

无线充电电动公路(e-Roads)

电动公路(e-Roads)似科幻愿景，但比想象更快成真。e-Roads理论上允许行驶中无线充电无限量EV，避免充电站瓶颈 [6]。

e-Roads实施的近场WPT技术可感应向接收设备传递高功率电力但限定气隙距离。过去十年在充电功率、传输距离、效率、安全性方面显著进展，大幅推进实际落地[14]. 此外，全尺度动态充电布线公路可能比多数电动车用大电池更可持续[13]。

e-Road建设技术在开发中，分原位和预制安装，分类为[15]：

• 沟槽式(地下层或路面齐平施工)；
• 微沟式(仅地下开挖)；
• 全车道替换(地下层或路面齐平全车宽施工)；
• 预制全车宽(地下层或路面齐平)。

沟槽式和微沟式潜在优势含：安装周期短(对比全车宽施工)、开挖废料量低、易接近e-Road系统维护[16]。

e-Roads赋能材料

e-Roads得益于特定材料磁性实现WPT作为EV充电系统。可磁化材料、混凝土、沥青为交通领域开启多机遇[16]。

“Talga”与“Betotech”用工业标准水泥添加原始石墨烯、石墨、矿石加工富硅副产品使混凝土导电[17]。此石墨烯增强混凝土高导电，电阻率低至0.05欧姆·厘米。同干燥度下水泥砂浆电阻率惊人高达约1,000,000欧姆·厘米。

石墨烯有趣替代方案是“Magment”方案：磁化混凝土材料，水泥或沥青基，用磁性铁氧体颗粒作骨料，高频电流感应下获得磁性。专利技术保持常规混凝土力学性能，完全兼容常规筑路实践。

WPT需不同磁性层控制磁场，既导向接收端又限制朝地面。

用工程超材料(MM)可操控电磁波实现发射线圈超高效率。

Magment技术特例中，反磁性超材料(DM)层置于磁化混凝土基底下，场聚焦(FF)层置线圈上[17]。

此混凝土近87%为磁化骨料，源自陶瓷铁氧体制造废料和电子废料回收。铁氧体是含锰、锌、钙、铝等自然丰富金属元素的铁氧化物陶瓷材料。显著积面是铁氧体颗粒主要来自铁氧体行业回收材料和快速增长电子废料，虽电磁性能未知[18]。

e-Roads技术层面

e-Roads因嵌入技术装置结构比传统公路复杂。耐久性和最低维护是e-Road落地关键因素。 路面须提供高抗挠度/车辙机械阻力。混凝土路面50-60年性能寿命满足长期耐久要求。但e-Roads需进一步研究优化。

WPT基e-Road系统最重要组件是充电单元(CU)板块，由混凝土模块和电力电子组成。含充电系统如传导线圈和磁性铁氧体。

提升e-Roads结构完整性至关重要。含高质量涂层、应力释放膜/织物、关键界面插拔接头材料、增强材料、沥青覆盖层级配[15][16]。

应用场景

感应充电技术静态、准静态、动态可采用于多种场景。

静态充电技术适用停车场、公交站公交停车、货运装卸。准静态充电适用出租车排队候客、公交车站停靠、路口停车。动态充电技术适用高速公路和设专用充电车道城市道路[2]。

WPT证明为有效技术，极可能近期采用，特别是公共交通和物流领域。

电池成本和续航仍是电动巴士和货运车队采用关键限制。 但此类车辆固定路线，可充分利用WPT动态充电技术。估计此技术可将电池尺寸减至70%。从而减轻整车重量、延长电池性能。

感应充电自2003年意大利都灵、2010年荷兰乌得勒支为公交供电。韩国、以色列、德国也成功实施公共电动巴士动态充电交通网络[12][13][19]。

挪威聚焦长距离重型货运动态充电实施，考虑电气化5%挪威道路将削减近半重型车辆排放[6]。

出租车常需在机场、火车站、酒店等战略点排队或停靠。插拔技术迫使出租车停车数小时。无线技术可成功克服此关键限制。

奥斯陆即将成全球首个实施动态WPT城市，使电动出租车在出租车排队缓慢移动中充电[22][23]。

此外，物流领域电动叉车和地面支持设备(GSE)可利用WPT选定路线无需停车充电[14][17]。

世界各地电气化高速公路实施项目在开发中，如瑞典“智慧路哥特兰”项目，英国Highways England工作成果。