鉅大LARGE | 點擊量：1509次 | 2021年04月12日
鋰離子電池還將如何改變能源現(xiàn)狀？
鋰離子電池大躍進
很多預(yù)測認(rèn)為，擁有和駕駛電動汽車的終身成本幾年內(nèi)就可以與燃油車相提并論，從而促使電動汽車銷量在2020年代大幅飆升，并在2030年代成為主流。我國大約貢獻了去年全球電動汽車銷量的一半，預(yù)計2020年有200萬輛電動和插電混合汽車上路行駛，10年內(nèi)達到700萬輛。
咨詢公司彭博新能源金融（BloombergNewEnergyFinance）指出，石油公司對電動汽車的預(yù)期也較幾年前高出很多。石油輸出國組織（OPEC）現(xiàn)在預(yù)計，2040年上路行駛的電動汽車將達到2.66億輛。英國和法國也都表示，到那時將禁售純?nèi)加推嚒?/p>
這都歸功于鋰離子電池業(yè)務(wù)的顯著擴張，以及人們對該行業(yè)今后仍將快速發(fā)展的普遍共識。第一批鋰離子電池26年前開始上市銷售，最初用在索尼的CCD-TR1攝像機上。那款產(chǎn)品廣受歡迎，而它所使用的電池更是如此，隨后逐步應(yīng)用于電腦、手機、無繩設(shè)備、電子香煙等產(chǎn)品。
使用電池的電子產(chǎn)品越多，鋰離子電池的需求也就越大。去年，消費產(chǎn)品貢獻的鋰離子電池產(chǎn)量約為45GWh。通俗一點說，假如把所有電池都用來為英國供電（該國的平均功耗為34GW），大約可以續(xù)航1小時20分。
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同一年，電動汽車使用的鋰離子電池產(chǎn)量就達到了電子產(chǎn)品一半：25GWh。但電池咨詢公司CairnERA的山姆杰夫（SamJaffe）預(yù)計，汽車電池需求最早將在明年超過消費電子，從而成為整個行業(yè)的轉(zhuǎn)折點。大幅擴張已經(jīng)開始。
作為當(dāng)今全球的5大鋰離子電池制造商，日本的松下、韓國的LG化學(xué)和三星SDI、我國的比亞迪和寧德時代，都在加大資本支出，并預(yù)計2020年的產(chǎn)量將達到目前的3倍。據(jù)估計，特斯拉斥資50億美元在內(nèi)華達州與松下合作建設(shè)的超級廠已經(jīng)可以實現(xiàn)每年約4GWh的產(chǎn)量。特斯拉表示，該公司將在2018年實現(xiàn)35GWh的產(chǎn)量。短短4年前，這一產(chǎn)量還足夠全世界所有的鋰電產(chǎn)品使用。
超級廠不只是為了電動汽車建造。在聽說南澳大利亞進行電力管制的消息后，特斯拉創(chuàng)始人伊隆馬斯克（ElonMusk）今年三月對該國總理表示，特斯拉到年底可以供應(yīng)足夠的電池容量，確保電網(wǎng)永遠不再癱瘓。
在超級廠里面，他們目前正在努力塞進129MWh的產(chǎn)量，以便履行老板的諾言。當(dāng)在太平洋彼岸安裝時，它將成為全世界基于電網(wǎng)的同類系統(tǒng)中最大的一個。但今后還有很多類似的系統(tǒng)將會部署。
隨著電網(wǎng)運營商在尋找各種方式來平滑太陽能和風(fēng)能的間歇性供給造成的影響，工業(yè)規(guī)模的鋰離子電池組越來越受歡迎尤其是把很多用在汽車上的電池組拼接起來，對其化學(xué)和電子元件進行調(diào)整，以便支持更快的充放電速度。
希望獨立于電網(wǎng)的消費者可以購買更小的電池組或者將自己生產(chǎn)的電力存儲起來，以便在白天或夜間電價最高時賣給電網(wǎng)。電池已經(jīng)成為未來真正實現(xiàn)低排放愿景所不可或缺的一部分。
全球產(chǎn)量飆升
鋰離子電池的基本原理很容易理解。當(dāng)電池給一個電位充電時，就會把鋰離子拉入石墨電極深處。使用的過程中，這些鋰離子又會通過液體電解質(zhì)返回由鋰和其他金屬組成的化合物制成的更復(fù)雜的電極陰極。
但另一方面，電池業(yè)務(wù)的基本運營模式卻很不透明，重要是因為供應(yīng)商過于重視保密，以及身為市場領(lǐng)頭羊的亞洲巨頭變換莫測的經(jīng)濟狀況。
過去幾年的情況顯示，所有大型廠商都在新增產(chǎn)量，部分原因在于這樣可以壓低單位成本。作為電池的基礎(chǔ)組成部分，鋰電芯2010年成本超過每kWh1000美元，去年降到130至200美元之間。通用汽車表示，該公司為Bolt采購60kWh電池組時，向LG化學(xué)支付的電芯價格為每kWh145美元（由于要考慮勞動力、材料和電子元件費用，所以電池組的價格高于電芯成本的總和）。
特斯拉表示，Model3的電芯價格更便宜。低成本并非唯一的改進之處。大量的研發(fā)投資已經(jīng)實現(xiàn)了更高的能量密度（每千克容量有所提升）和更強的耐用性（充放電循環(huán)有所新增）。Bolt的電池質(zhì)保期長達8年。
但通過這種方式降價不僅能生產(chǎn)價格更便宜、質(zhì)量更好的電池，還會導(dǎo)致嚴(yán)重的產(chǎn)量過剩。CairnERA去年估計，鋰離子電池產(chǎn)量較需求高出三分之一。該機構(gòu)和BNEF都表示，每生產(chǎn)一塊汽車電池，電池廠商要么虧損，要么只能賺取微利。
盡管供過于求，但他們都計劃繼續(xù)擴張，一定程度上是為了進一步壓低成本。杰夫解釋稱，這種思維屬于傳統(tǒng)的亞洲巨頭模式：通過犧牲利潤率來換取市場份額。
由于電動汽車短時間內(nèi)前景明朗，這似乎是一項不錯的戰(zhàn)略。但現(xiàn)在來看，這似乎令人有些緊張不安。盡管杰夫認(rèn)為，電動汽車和儲電設(shè)施的需求上升可以支撐這種高速擴張，但他現(xiàn)在也認(rèn)為，這像是一場沒有黃金的淘金熱。
但其中的確包含其他一些有價值的金屬。要生產(chǎn)更多電池，就要更多的鋰，以及其他多種金屬，包括用于制造陰極的鈷。這些金屬大約占到電芯成本的60%。關(guān)于電池廠商來說，確保這些材料的持續(xù)供應(yīng)與掌握電化學(xué)技術(shù)相同重要。
自從2015年以來，咨詢公司BenchmarkMineralIntelligence的西蒙莫爾斯（SimonMoores）表示，鋰價格已經(jīng)上漲3倍，鈷價格也上漲一倍，陰極使用的含鎳化學(xué)品價格同樣也在上漲。
莫爾斯表示，尋找新的鋰供應(yīng)源并不困難，全世界的鋰儲量至少為2.1億噸，而當(dāng)前的年產(chǎn)量僅為18萬噸。新的鋰礦正在逐漸開采。全球最大鋰生產(chǎn)商智利SQM今年七月宣布將在西澳大利亞投資1.1億美元，組建一家鋰合資公司。
鈷的情況更加棘手。不僅供應(yīng)匱乏，而且有很多都來自剛果民主共和國。這一地區(qū)既存在道德問題（要依靠童工生產(chǎn)），還面對商業(yè)問題（沒人愿意依靠軍閥獲取重要資源）。LG化學(xué)曾經(jīng)表示，該公司正嘗試減少電芯中的鈷元素使用量，同時繼續(xù)提升性能。今后，從廢舊電池中回收這種金屬將提升整個行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展程度。
廠商之所以在原材料價格上漲的情況下依然滿懷信心地擴大產(chǎn)量，原因之一在于鋰離子電池目前幾乎沒有對手。經(jīng)常有其他電池技術(shù)號稱從原理上擁有更大的優(yōu)勢但卻沒有一種技術(shù)能像鋰離子電池這樣，通過幾十年的發(fā)展，從單純的創(chuàng)意變成一項主導(dǎo)型技術(shù)。整個過程催生了大量配套技術(shù)，包括精細制造、電解質(zhì)選擇甚至更加復(fù)雜的金屬陰極納米技術(shù)。
美國陰極材料供應(yīng)商CAMXPower負(fù)責(zé)人凱南薩辛（KenanSahin）表示，鋰離子電池的成本和重量、反復(fù)充放電的循環(huán)次數(shù)、耐用性和安全性都是通過無數(shù)的調(diào)整得以實現(xiàn)的，并非一朝一夕可以做到。
他將電池化學(xué)比作制藥行業(yè)的藥物發(fā)現(xiàn)過程。真的很難。無論你想成規(guī)模地做成什么事情，都必須接受相應(yīng)的副用途。他說。這是潛在的篡權(quán)者難以模仿的。在可預(yù)見的未來，不斷進步的鋰離子電池技術(shù)可能使用新的固態(tài)電極都將繼續(xù)領(lǐng)先，并因為它所支持的應(yīng)用模式繼續(xù)增多而不斷獲益。
直到現(xiàn)在，最主流的還是圓柱形的18650電芯。它長約65毫米，直徑18毫米，能量密度大約為每千克250Wh。（作為比較，汽油的能量密度大約高出50倍，但電芯可以存儲成百上千倍的能量。）
特斯拉和松下目前正在開發(fā)2170電芯，比18650略長、略寬。馬斯克表示，這將成為市場上密度最高的電池。該公司表示，七月末交付的Model3的駕駛成本與之前任何一種車型相比都下降一半。在這款車的公布會上，馬斯克有關(guān)明年實現(xiàn)50萬輛產(chǎn)量的聲明令人頗感敬畏。歡迎來到生產(chǎn)地獄。他對組裝線工人說。
特斯拉八月七日宣布發(fā)行價值15億美元的債券，以支持該公司的擴張計劃，給股票市場帶來了急需的喘息機會該公司經(jīng)常通過股市融資，其股價也在過去一年上漲三分之二。
該公司曾經(jīng)表示，他們已經(jīng)收到45.5萬輛Model3預(yù)售訂單，這可以在年底前出現(xiàn)足夠的現(xiàn)金流，從而鞏固其財務(wù)狀況。假如一切照計劃進行，馬斯克希望超級廠成為全世界最大的建筑，每年產(chǎn)量達到100GWh。該公司還有可能在其他地方建設(shè)超級廠，下一個可能就會落戶我國。
所有的舉措都認(rèn)為電動汽車必將繁榮發(fā)展。這類產(chǎn)品無疑在變得更好、更便宜。但還有一些因素對它的實用性形成制約，最顯著的便是充電。在英國，43%的車主沒有路邊停車位，因此也就不能在家里給汽車充電。而使用11kW的充電器對90kWh的電池充電6個小時，便有可能燒斷保險絲。
快速充電站是一種解決方法，這是一種類似于加油站的地方。有的汽車公司已經(jīng)開始通過建設(shè)這樣的設(shè)施來緩解電動汽車主特有的里程焦慮。但這種設(shè)施的擴張速度能否對整個行業(yè)的野心形成支持，目前還有待觀察。
正是由于電動汽車使用量的上升速度存在不確定性，才讓儲電設(shè)施成為了電池制造商的一個有吸引力的選擇。圣迭戈煤氣和電力公司（SDGE）最近在圣迭戈市郊的一個車位上建造的這樣一個設(shè)施并不像新車公布那樣光鮮亮麗。那其實是一個偽裝成拖車公園的汽車電池，內(nèi)有38.4萬個電芯。這大概是有史以來最遲鈍的變形金剛了。
但SDGECOO卡洛琳維恩（CarolineWinn）表示，平凡正是它的魅力所在。這個設(shè)施的目的是在用電高峰供應(yīng)電力。模塊化的建筑使得這個120MWh的設(shè)施規(guī)模略小于特斯拉承諾在南澳大利亞建設(shè)的設(shè)施從開工建設(shè)到投入使用只用了短短8個月。它的噪音很小，幾乎聽不到。
假如通過燃氣渦輪來做同樣的工作，成本雖然可以降低，但卻要耗費數(shù)年時間，而且根本不可能獲得當(dāng)?shù)鼐用竦耐狻＞S恩還表示，這個電池設(shè)施比燃氣渦輪漂亮多了。
最終能量源
對特斯拉和其他電池制造商來說，電網(wǎng)儲存項目是電力市場最有吸引力的一部分，可以充分利用原本可能過剩的產(chǎn)量。此外，自用儲電系統(tǒng)也可以提升電池的需求。特斯拉就通過Powerwall家用電池進軍了這一市場，希望對該公司的太陽能電池板形成補充。
日產(chǎn)也在開拓自用儲電市場。該公司與美國電力管理公司Eaton合作將二手Leaf的電池供應(yīng)給公司和廠用作備用電源，取代柴油發(fā)電機。他們的第一個大客戶是阿賈克斯足球俱樂部的主場所在地阿姆斯特丹球場。
這類系統(tǒng)在價格上未必很有競爭力，但政府會為其供應(yīng)各種補貼。今年五月，美國紐約州監(jiān)管者就為公用事業(yè)公司ConEdison賦予一項權(quán)利，允許它的公司客戶在布魯克林和皇后區(qū)安裝電池，將電量輸出給電網(wǎng)。
紐約的電網(wǎng)年久失修，最早可以追溯到一個多世紀(jì)前的喬治威斯汀豪斯（GeorgeWestinghouse）和尼古拉特斯拉（NikolaTesla）的時代。這里目前正在努力將更多的可再生能源吸收為供電來源，而儲電設(shè)施供應(yīng)了新的方式，可以幫助其應(yīng)對高峰期的用電需求。該州能源官員詹森多靈（JasonDoling）表示，這個項目非常適合安裝在高樓大廈里，可以在早間和傍晚電價最高的時候給電梯供電。
但紐約消防部門仍然擔(dān)心建筑物里的鋰離子電池可能引發(fā)火災(zāi)。去年的三星GalaxyNote7炸機門讓全世界意識到，鋰離子電池假如設(shè)計不當(dāng)，就會因為短路而燃燒。但整體來看，電極上使用的新材料和陶瓷涂層已經(jīng)讓汽車電池變得非常安全。
除了安全擔(dān)憂外，安裝自用儲電系統(tǒng)的公司表示，過時的監(jiān)管和保險問題對他們構(gòu)成了障礙。瑞士電池制造商Leclanché的負(fù)責(zé)人阿尼爾斯里瓦斯塔瓦（AnilSrivastava）表示，這限制了他們的資金獲取能力。他們還要尋找方法讓儲電設(shè)施變得物有所值。
有的時候，這幾乎是唯一符合監(jiān)管要求的解決方法（圣迭戈便是如此）：在2015年的AlisoCanyon的儲氣罐泄露后，加州公共事業(yè)委員會就很擔(dān)心洛杉磯發(fā)生停電事故。當(dāng)價格成為重要目標(biāo)時，電池就要尋找不止一項服務(wù)供應(yīng)給用戶，這一程序被稱作收入疊加。例如，一套系統(tǒng)不僅可以為了短時間頻率調(diào)節(jié)而給電網(wǎng)供電，還可以成為一種應(yīng)對峰值需求的方式。
聽起來似乎很復(fù)雜，但尋找不止一種方法來銷售同一種東西是電池行業(yè)的必然趨勢，就像它為不同的市場和不同的使用規(guī)模定制不同的產(chǎn)品相同。盡管如今的繁榮看起來有點令人提心吊膽，但從長期來看，這個行業(yè)似乎的確會迎來不俗的發(fā)展。
