除了电动汽车,锂电池还将如何改变能源现状?

作者: | 发布日期: 2017 年 08 月 14 日 9:20 | 分类: 产业资讯
锂电池大跃进
很多预测认为,拥有和驾驶电动汽车的终身成本几年内就可以与燃油车相提并论,从而促使电动汽车销量在2020年代大幅飙升,并在2030年代成为主流。中国大约贡献了去年全球电动汽车销量的一半,预计2020年有200万辆电动和插电混合汽车上路行驶,10年内达到700万辆。
业内人士指出,石油公司对电动汽车的预期也较几年前高出很多。石油输出国组织(OPEC)现在预计,2040年上路行驶的电动汽车将达到2.66亿辆。英国和法国也都表示,到那时将禁售纯燃油汽车。
这都归功于锂电池业务的显著扩张,以及人们对该行业今后仍将快速发展的普遍共识。第一批锂电池26年前开始上市销售,最初用在索尼的CCD-TR1摄像机上。那款产品广受欢迎,而它所使用的电池更是如此,随后逐步应用于电脑、手机、无绳设备、电子香烟等产品。
使用电池的电子产品越多,锂电池的需求也就越大。去年,消费产品贡献的锂电池产量约为45GWh。通俗一点说,如果把所有电池都用来为英国供电(该国的平均功耗为34GW),大约可以续航1小时20分。
同一年,电动车使用的锂电池产量就达到了电子产品一半:25GWh。但电池咨询公司Cairn ERA的山姆·杰夫(Sam Jaffe)预计,汽车电池需求最早将在明年超过消费电子,从而成为整个行业的转折点。大幅扩张已经开始。
作为当今全球的5大锂电池制造商,日本的松下、韩国的LG化学和三星SDI、中国的比亚迪和宁德时代,都在加大资本支出,并预计2020年的产量将达到目前的3倍。据估计,特斯拉斥资50亿美元在内华达州与松下合作建设的超级工厂已经可以实现每年约4GWh的产量。特斯拉表示,该公司将在2018年实现35GWh的产能。短短4年前,这一产量还足够全世界所有的锂电产品使用。
超级工厂不只是为了电动汽车建造。在听说南澳大利亚进行电力管制的消息后,特斯拉创始人伊隆·马斯克(Elon Musk)今年3月对该国总理表示,特斯拉到年底可以提供足够的电池容量,确保电网永远不再瘫痪。
在超级工厂里面,他们目前正在努力塞进129MWh的产能,以便履行老板的诺言。当在太平洋彼岸安装时,它将成为全世界基于电网的同类系统中最大的一个。但今后还有很多类似的系统将会部署。
随着电网运营商在寻找各种方式来平滑太阳能和风能的间歇性供给造成的影响,工业规模的锂电池组越来越受欢迎——尤其是把很多用在汽车上的电池组拼接起来,对其化学和电子元件进行调整,以便支持更快的充放电速度。
希望独立于电网的消费者可以购买更小的电池组——或者将自己生产的电力存储起来,以便在白天或夜间电价最高时卖给电网。电池已经成为未来真正实现低排放愿景所不可或缺的一部分。
全球产能飙升
锂电池的基本原理很容易理解。当电池给一个电位充电时,就会把锂离子拉入石墨电极深处。使用的过程中,这些锂离子又会通过液体电解质返回由锂和其他金属组成的化合物制成的更复杂的电极——阴极。但另一方面,电池业务的基本运营模式却很不透明,主要是因为供应商过于重视保密,以及身为市场领头羊的亚洲巨头变换莫测的经济状况。
过去几年的情况显示,所有大型厂商都在增加产能,部分原因在于这样可以压低单位成本。作为电池的基础组成部分,锂电芯2010年成本超过每kWh 1000美元,去年降到130至200美元之间。通用汽车表示,该公司为Bolt采购60kWh电池组时,向LG化学支付的电芯价格为每kWh 145美元(由于要考虑劳动力、材料和电子元件费用,所以电池组的价格高于电芯成本的总和)。
特斯拉表示,Model 3的电芯价格更便宜。低成本并非唯一的改进之处。大量的研发投资已经实现了更高的能量密度(每千克容量有所提升)和更强的耐用性(充放电循环有所增加)。Bolt的电池质保期长达8年。
但通过这种方式降价不仅能生产价格更便宜、质量更好的电池,还会导致严重的产能过剩。Cairn ERA去年估计,锂电池产能较需求高出三分之一。该机构和BNEF都表示,每生产一块汽车电池,电池厂商要么亏损,要么只能赚取微利。
尽管供过于求,但他们都计划继续扩张,一定程度上是为了进一步压低成本。杰夫解释称,这种思维属于“传统的亚洲巨头模式”:通过牺牲利润率来换取市场份额。
由于电动汽车短期内前景明朗,这似乎是一项不错的战略。但现在来看,这似乎令人有些紧张不安。尽管杰夫认为,电动汽车和储电设施的需求增长可以支撑这种高速扩张,但他现在也认为,“这像是一场没有黄金的淘金热。”
但其中的确包含其他一些有价值的金属。要生产更多电池,就需要更多的锂,以及其他多种金属,包括用于制造阴极的钴。这些金属大约占到电芯成本的60%。对于电池厂商来说,确保这些材料的持续供应与掌握电化学技术一样重要。
自从2015年以来,咨询公司Benchmark Mineral Intelligence的西蒙·莫尔斯(Simon Moores)表示,锂价格已经上涨3倍,钴价格也上涨一倍,阴极使用的含镍化学品价格同样也在上涨。
莫尔斯表示,寻找新的锂供应源并不困难,全世界的锂储量至少为2.1亿吨,而当前的年产量仅为18万吨。新的锂矿正在逐渐开采。全球最大锂生产商智利SQM今年7月宣布将在西澳大利亚投资1.1亿美元,组建一家锂合资公司。
钴的情况更加棘手。不仅供应匮乏,而且有很多都来自刚果民主共和国。这一地区既存在道德问题(需要依靠童工生产),还面临商业问题(没人愿意依靠军阀获取重要资源)。LG化学曾经表示,该公司正尝试减少电芯中的钴元素使用量,同时继续提升性能。今后,从废旧电池中回收这种金属将提升整个行业的可持续发展程度。
厂商之所以在原材料价格上涨的情况下依然满怀信心地扩大产能,原因之一在于锂电池目前几乎没有对手。经常有其他电池技术号称从原理上拥有更大的优势——但却没有一种技术能像锂电池这样,通过几十年的发展,从单纯的创意变成一项主导型技术。整个过程催生了大量配套技术,包括精细制造、电解质选择甚至更加复杂的金属阴极纳米技术。
直到现在,最主流的还是圆柱形的18650电芯。它长约65毫米,直径18毫米,能量密度大约为每千克250Wh。(作为对比,汽油的能量密度大约高出50倍,但电芯可以存储成百上千倍的能量。)
特斯拉和松下目前正在开发2170电芯,比18650略长、略宽。马斯克表示,这将成为市场上密度最高的电池。该公司表示,7月末交付的Model 3的驾驶成本与之前任何一种车型相比都下降一半。在这款车的发布会上,马斯克关于明年实现50万辆产能的声明令人颇感敬畏。“欢迎来到生产地狱。”他对组装线工人说。
所有的举措都认为电动汽车必将繁荣发展。这类产品无疑在变得更好、更便宜。但还有一些因素对它的实用性形成制约,最显著的便是充电。在英国,43%的车主没有路边停车位,因此也就不能在家里给汽车充电。而使用11kW的充电器对90kWh的电池充电6个小时,便有可能烧断保险丝。
快速充电站是一种解决方案,这是一种类似于加油站的地方。有的汽车公司已经开始通过建设这样的设施来缓解电动车主特有的“里程焦虑”。但这种设施的扩张速度能否对整个行业的野心形成支持,目前还有待观察。
正是由于电动汽车使用量的增长速度存在不确定性,才让储电设施成为了电池制造商的一个有吸引力的选择。圣迭戈煤气和电力公司(SDGE)最近在圣迭戈市郊的一个车位上建造的这样一个设施并不像新车发布那样光鲜亮丽。那其实是一个伪装成拖车公园的汽车电池,内有38.4万个电芯。这大概是有史以来最迟钝的变形金刚了。
但SDGE COO卡洛琳·维恩(Caroline Winn)表示,平凡正是它的魅力所在。这个设施的目的是在用电高峰提供电力。模块化的建筑使得这个120MWh的设施——规模略小于特斯拉承诺在南澳大利亚建设的设施——从开工建设到投入使用只用了短短8个月。它的噪音很小,几乎听不到。
如果通过燃气涡轮来做同样的工作,成本虽然可以降低,但却需要耗费数年时间,而且根本不可能获得当地居民的同意。维恩还表示,这个电池设施“比燃气涡轮漂亮多了”。
终极能量源
对特斯拉和其他电池制造商来说,电网储存项目是电力市场最有吸引力的一部分,可以充分利用原本可能过剩的产能。此外,自用储电系统也可以提升电池的需求。特斯拉就通过Powerwall家用电池进军了这一市场,希望对该公司的太阳能电池板形成补充。
日产也在开拓自用储电市场。该公司与美国电力管理公司Eaton合作将二手Leaf的电池提供给企业和工厂用作备用电源,取代柴油发电机。他们的第一个大客户是阿贾克斯足球俱乐部的主场所在地阿姆斯特丹球场。
这类系统在价格上未必很有竞争力,但政府会为其提供各种补贴。今年5月,美国纽约州监管者就为公用事业公司Con Edison赋予一项权利,允许它的企业客户在布鲁克林和皇后区安装电池,将电量输出给电网。
纽约的电网年久失修,最早可以追溯到一个多世纪前的乔治·威斯汀豪斯(George Westinghouse)和尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)的时代。这里目前正在努力将更多的可再生能源吸收为供电来源,而储电设施提供了新的方式,可以帮助其应对高峰期的用电需求。该州能源官员詹森·多灵(Jason Doling)表示,这个项目非常适合安装在高楼大厦里,可以在早间和傍晚电价最高的时候给电梯供电。
但纽约消防部门仍然担心建筑物里的锂电池可能引发火灾。去年的三星Galaxy Note 7“炸机门”让全世界意识到,锂电池如果设计不当,就会因为短路而燃烧。但整体来看,电极上使用的新材料和陶瓷涂层已经让汽车电池变得非常安全。
除了安全担忧外,安装自用储电系统的公司表示,过时的监管和保险问题对他们构成了障碍。瑞士电池制造商Leclanché的负责人阿尼尔·斯里瓦斯塔瓦(Anil Srivastava)表示,这限制了他们的资金获取能力。他们还需要寻找方法让储电设施变得物有所值。
有的时候,这几乎是唯一符合监管要求的解决方案(圣迭戈便是如此):在2015年的Aliso Canyon的储气罐泄露后,加州公共事业委员会就很担心洛杉矶发生停电事故。当价格成为主要目标时,电池就要寻找不止一项服务提供给用户,这一程序被称作“收入叠加”。例如,一套系统不仅可以为了短期频率调节而给电网供电,还可以成为一种应对峰值需求的方式。
听起来似乎很复杂,但寻找不止一种方法来销售同一种东西是电池行业的必然趋势,就像它为不同的市场和不同的使用规模定制不同的产品一样。尽管如今的繁荣看起来有点令人提心吊胆,但从长期来看,这个行业似乎的确会迎来不俗的发展。
原文来源:《经济学人》
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