作家布萊恩·阿瑟在《技術的本質》一書中寫道，“技術是一個異常美麗的主題，它不動聲色地創(chuàng)造了財富，成就了經濟的繁榮，改變了人類的生存方式?！?/span>

從原始社會、農耕時代、工業(yè)文明到信息化世界，人類的進步仰賴于無數偉大而閃耀的科技發(fā)現(xiàn)。當技術的長河匯入新的節(jié)點，AI的時代大幕徐徐展開，人類對技術的熱情和恐懼也前所未有。我們暢想通過技術實現(xiàn)永生，卻又無比擔憂會被技術反噬。“技術”到底是什么？人類將被自己創(chuàng)造的技術帶向何方？……

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事實表明，交通運輸部門對全球氣候變化和二氧化碳排放有重大影響，因此，普遍認為，電動汽車（EV）在地球轉型為清潔能源星球的過程中扮演重要角色。

采用電動汽車將有望帶來許多環(huán)境，社會和經濟效益，例如空氣污染物排放減至最少，城市空氣更清潔，噪聲排放減少以及經濟增長。電動汽車可以顯著降低能源消耗和溫室氣體排放，特別是當一次能源轉換為清潔能源的時候，如風能和太陽能。

大規(guī)模采用電動汽車益處多多，但在社會大眾的普遍接受度方面仍然困難重重。盡管當前電動汽車在性能和行駛里程數方面都有了長足的發(fā)展，但與傳統(tǒng)燃油車相比，電動汽車仍存在以下明顯短板：電池的重量、體積和成本；充電基礎設施網絡短缺；充電時間較長；充電成本相對較高等。

在許多國家，全電動汽車的市場份額仍然很低。www.openchargemap.org

電動汽車基礎設施的發(fā)展是實現(xiàn)電動汽車被廣泛采用所面臨的關鍵問題。在這種大背景下，電氣化道路（e-Roads）將發(fā)揮重要作用，以跨越電動汽車被公眾廣泛接受所面臨的種種限制。

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電池的局限

為了解決電動汽車應用推廣的瓶頸，進一步推動電動汽車用電池的發(fā)展和優(yōu)化似乎是顯而易見的解決方案之一。但是，即使電池技術的進步確實取得了成功，仍然有其他與氣候、環(huán)境或資源獲取相關的挑戰(zhàn)需要解決。

近日，豐田汽車總裁章男近日在日本汽車制造商協(xié)會新聞發(fā)布會上發(fā)表了一番頗為激烈的言辭。他稱道，電動汽車在當下被過分炒作，不論是制造電力造成碳排放以及向電動車過渡的成本被忽視。如果日本道路上的每輛汽車都使用電池供電，那么在夏天，當許多家庭和企業(yè)使用其空調系統(tǒng)時，日本將用盡電力，而支持全電動基建設施的花費將達到14—37萬億日元。并且我們制造的電動汽車越多，二氧化碳排放指標就會越差。

確實，我們也應該深思，純電動車真的是最適合的發(fā)展方向嗎？真的需要這樣一刀切嗎？

迄今為止，電動車電池的可持續(xù)性問題仍未完全解決。例如：鋰離子動力電池所需的關鍵金屬鋰、鈷和鎳，能否在不違背把電動汽車作為可持續(xù)發(fā)展之手段的基本前提下，得到可持續(xù)開采。

例如，鈷礦的開采主要集中在世界上最不發(fā)達的國家之一，剛果民主共和國。這個國家關于鈷價值鏈的透明度相當有限，除了確鑿的踐踏人權的證據外，還有危險的工作環(huán)境，強制勞動和童工等證據。而鋰金屬的供應商還必須考慮道德采購問題，況且，也并不能保證鋰離子電池的需求能永遠被滿足。

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充電技術

技術進步甚至涉及到電動汽車的充電技術。目前的電動汽車充電技術可分為插電式充電、導電式充電和感應式充電。

插電式充電幾乎可以為所有現(xiàn)有的電動汽車充電，但電動汽車必須停在路邊，并插上電源。與此不同的是，利用導電式充電技術，電動汽車在移動時通過受電弓與輸電線物理接觸，從而可以在短時間內實現(xiàn)高效的能量傳輸。

最新的感應式充電技術，也稱為無線電力傳輸(WPT)，能在電動汽車行駛或短時停站期間，通過感應耦合，把電能以無線方式傳輸給電動汽車。

以下是關于WPT技術可以簡單描述：

● 來自電網的電流通過發(fā)射線圈發(fā)送電流；

● 電流產生一個磁場；

● 磁場在接收線圈中感應出一個電流，該電流被調諧到相同的頻率。

盡管WPT還不是一項成熟的技術，但它可以克服許多阻礙電動汽車普及的局限性。

電動汽車的無線感應式充電（Roberts＆Zarracina，2017）

感應式充電技術可以有許多優(yōu)點，例如：

● 電池續(xù)航里程增加，這意味著續(xù)航焦慮降低；

● 尺寸更小的電池和更快速的充電，這意味著移動性的增加；

● 駕駛員無需處理臟污和具有潛在危險的電纜（雨水，電纜，故意破壞等），充電過程也更加容易。

三種電動汽車常用充電技術對比表

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可無線充電的電氣化道路（e-Roads）

e-Roads聽起來有點像科幻小說的場景，但它的快速發(fā)展速度超出我們了的想象。從理論上講，e-Roads可對不限數量的在途行駛中的電動汽車進行無線充電，從而避開了充電站數量短缺這個瓶頸。

智能涂層，能量收集，傳感器和其他介質（概念圖）

在e-Roads上實施的近場WPT技術，可通過感應方式把電力傳送到接收裝置，功率高，但在氣隙距離方面有一定限制。在過去的十年里，WPT系統(tǒng)在充電功率、傳輸距離、效率和安全性方面取得了顯著進展，極大地推動了其現(xiàn)實應用。

此外，與眾多電動汽車中使用的大型電池相比，全面進行動態(tài)充電的布線線路可能更具可持續(xù)性。

e-Roads的建造技術正在發(fā)展中，包括基于現(xiàn)場，或基于預制的裝置，它們被分為：

● 基于溝槽的方式 (在淺表地層或地表上施工)；

● 微溝槽方式（僅在淺表地層）；

● 全車道更換(在淺表地層或地表上進行全寬度車道建造)；

● 預制全寬度車道（淺表地層或地表）。

基于溝槽和微溝槽施工方案的潛在優(yōu)勢包括：更短的安裝周期(與全寬度車道施工相比)，更少的渣土挖掘量，以及便捷的e-Roads系統(tǒng)維護。

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e-Roads的使能材料

特殊材料的磁特性使WPT有望成為電動汽車充電系統(tǒng)，而e-Roads也正在成為現(xiàn)實。可磁化材料、混凝土和瀝青的使用，為交通運輸行業(yè)創(chuàng)造了很多新的機會。

“Talga”和“Betotech”解決方案可使用添加了原始石墨烯、石墨和礦石加工過程中富含二氧化硅副產品的標準水泥來實現(xiàn)混凝土導電。這種石墨烯增強的混凝土具有高的導電性，且電阻率低，約為0.05歐姆·厘米。相比而言，在同樣干燥的情況下，水泥砂漿的總電阻率高得驚人，約為1000000歐姆·厘米。

石墨烯（Mag = 500x和10,000x）的SEM圖像（由i.lab Italcementi提供）

“Magment”提出了一種新穎的石墨烯替代解決方案，該方案由可磁化混凝土材料(水泥基或瀝青基)組成，采用了磁鐵氧體顆粒作為骨料，可在高頻電流感應下獲得磁性。這是一項專利技術，既保持了傳統(tǒng)混凝土的機械性能，也可與常規(guī)道路施工做法完全兼容。

WPT需要不同的磁性層來控制磁場，不僅可以把磁場引導到接收器的方向，而且可以把磁場限制在地表范圍內。

使用工程超級材料（metamaterials，MM），有可能通過操控電磁波來實現(xiàn)發(fā)射機線圈的卓越效率。

磁性材料的分類（由Magment.de提供）

在Magment技術的某些特殊案例中，在可磁化混凝土襯底下放置一個反磁性超級材料(Diamagnetic Metamaterial,DM)層，并在線圈之上放置一個場聚焦(Field-Focusing,FF)層。

不同電動汽車的效率與發(fā)射-接受線圈間距的關系（由Magment.de提供）

這種混凝土由將近87%的可磁化骨料組成，這些骨料是陶瓷鐵氧體制造和電子廢料回收時產生的廢棄物。鐵氧體是由含錳、鋅、鈣、鋁等金屬元素的鐵氧化物組成的陶瓷材料。主要優(yōu)點是鐵氧體顆粒主要來自于鐵氧體工業(yè)和電子廢料的回收材料，盡管它們的電磁性能可能是不確定的。

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e-Roads的技術特征

e-Roads在結構上比傳統(tǒng)道路更為復雜，尤其是因為它們具有嵌入式技術設備。e-Roads的耐用性和最少的維護，是實施e-Roads的關鍵。路面必須對載荷撓曲或車轍印具有較高的機械抗力?；炷谅访娴氖褂脡勖鼮?0-60年，能夠滿足較長的耐久性要求。但是e-Roads的耐久性要求還需要進一步研究優(yōu)化。

在基于WPT的e-Roads系統(tǒng)中，最重要的組件是由混凝土模塊和電力電子設備組成的充電單元（charging unit,CU）板。其中包括充電系統(tǒng)，如導電線圈和磁性鐵氧體。

改善e-Roads的結構完整性非常重要。這包括使用高品質的涂料，應力釋放膜或織物，重要界面處的塞縫材料，增強型材料以及瀝青覆蓋層的規(guī)定等級。

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應用場景

“新政，大巴黎的未來之路”，CRA-Carlo Ratti Associati

感應充電技術分為靜態(tài)、靜止和動態(tài)三種，可用于多種應用場景。

靜態(tài)充電技術可應用于停車場、公交車停放場、貨車裝卸場等場合。靜止充電技術可應用于正在排隊的出租車、臨時停靠在公交站點的公交車和?？吭诼房诘能囕v。動態(tài)充電技術可應用于具有專用充電車道的高速公路和城市道路。

WPT正在被驗證是否是一種有效的技術，因為它很有可能在不久的將來被采用，特別是在公共交通和物流領域。

電池的成本和自主產權仍然是電動巴士和貨運車輛廣泛采用的相關限制。然而，由于這類車輛總是沿著相同的路線行駛，因此它們可以充分利用WPT動態(tài)充電技術。此外，據估計，使用這種技術，電池的尺寸可以減少多達70%。這也降低了車輛的整體重量，并延長了電池的性能壽命。

感應充電技術已經在意大利都靈（自2003年以來）和荷蘭烏得勒支（自2010年以來）為公交車提供動力。韓國、以色列和德國也成功實施了對公共電動巴士動態(tài)充電的交通網絡。挪威則專注于對長途重型貨物運輸進行動態(tài)充電，即使挪威僅5%的公路實現(xiàn)e-Roads改造，也將減少重型車輛近50%的排放。

出租車通常需要排隊或停在機場、火車站和酒店等重要場所。插入式充電技術將迫使出租車在停車場滯留數小時，而無線充電技術可以成功地克服這一關鍵性限制。

奧斯陸將成為世界上第一個實施動態(tài)WPT的城市，使電動出租車可以在緩慢移動的出租車隊列中進行充電。

此外，在物流領域，電動叉車和地面救援設備（GSE）等車輛可以通過選定的行駛路線來發(fā)揮WPT的潛力，而無需停下來充電。

如今，世界各地都在開發(fā)不同的高速公路電氣化實施項目，比如瑞典的“哥特蘭智能公路”項目，以及英國的“英格蘭高速公路”項目。

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電氣化道路無疑是一種面向未來的交通運輸方式，在緩解環(huán)境壓力，節(jié)約能源等方面都大大優(yōu)于現(xiàn)有方式。采用電力為道路運輸提供動力，能夠顯著降低化石燃料的使用量，從而減少排放甚至實現(xiàn)“零排放”，未來，電氣化道路可以從根本上使道路運輸擺脫對石油的依賴，是降低碳排放的有力方式。有專家認為，電氣化道路極有可能成為未來城市建設的關鍵環(huán)節(jié)。

“新政，大巴黎的未來之路”，CRA-Carlo Ratti Associati

正如布萊恩·阿瑟在《技術的本質》一書中所說的：“技術集合在一起，然后創(chuàng)造一個結構，決策、活動、物流、服務流都發(fā)生在其中，由此創(chuàng)造了某種我們稱之為‘經濟’的東西。經濟以這種方式從它的技術中浮現(xiàn)出來。它不斷地從它的技術中創(chuàng)造自己，并且決定哪種新技術將會進入其中。注意這里的因果循環(huán)：技術創(chuàng)造了經濟的結構，經濟調節(jié)著新技術的創(chuàng)造（因而也是它自身的創(chuàng)造）。”

材料是人類文明進步的物質載體和生產力發(fā)展水平的重要標志。人類從石器-新石器時代、銅器時代、鐵器時代，進步到信息社會、電子及各種功能材料時代……幾千年科學技術的進展無不仰仗于材料的支撐。在道路電氣化的技術突破進程中，材料科學的突破，無疑將再次扮演重要的角色。

對于材料科學家來說，這無疑是個極好的機遇，但更多是挑戰(zhàn)。

值此歲末年初，祝各位朋友們新年快樂，一起順利！