中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：二．鋰離子電池技術(shù)
鋰離子電池廣泛應(yīng)用于固定儲(chǔ)能市場(chǎng)和交通運(yùn)輸市場(chǎng)，它們也是消費(fèi)電子產(chǎn)品中的主要電源。多家琛分析機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，鋰離子電池在未來(lái)10年內(nèi)仍將占據(jù)儲(chǔ)能部署的大部分市場(chǎng)份額。
儲(chǔ)能技術(shù)正在從鉛酸電池過(guò)渡到具有更長(zhǎng)的循環(huán)壽命和工作壽命的電池，例如鋰離子電池。但是，鋰離子電池的易燃性是需要在系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)的問(wèn)題。而普魯士藍(lán)類鈉離子電池是另一種提供高功率和極長(zhǎng)循環(huán)壽命的新型電池，可以滿足苛刻的直流應(yīng)用性能要求。美國(guó)能源部為此為開發(fā)和生產(chǎn)這種電池的一家初創(chuàng)公司提供了資助。
1.鋰離子電池市場(chǎng)
鋰離子電池市場(chǎng)是增長(zhǎng)最快的可充電電池市場(chǎng)。從2013年至2018年，鋰離子電池在所有市場(chǎng)的全球銷售額增長(zhǎng)了一倍以上。交通運(yùn)輸行業(yè)在鋰離子電池市場(chǎng)上占主導(dǎo)地位，也是增長(zhǎng)最快的行業(yè)，各種汽車采用了60％的鋰離子電池。根據(jù)Avicenne公司發(fā)布的調(diào)查報(bào)告，全球鋰離子電池市場(chǎng)規(guī)模在2018年為400億美元，如圖9所示，這相當(dāng)于在全球部署172GWh的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，到2019年增至195GWh。
幾家分析機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)未來(lái)十年的鋰離子市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)。其基本假設(shè)以及分析中包括的市場(chǎng)取決于具體的來(lái)源。本節(jié)概述了這些分析和假設(shè)。
圖9.全球鋰離子電池在未來(lái)10年在各種市場(chǎng)的應(yīng)用
圖10. 彭博社新能源財(cái)經(jīng)公司對(duì)鋰離子電池在全球各地市場(chǎng)的部署預(yù)測(cè)
圖11. Avicenne公司對(duì)鋰離子電池在全球各地市場(chǎng)的部署預(yù)測(cè)
彭博社新能源財(cái)經(jīng)公司（BNEF）和Avicenne公司預(yù)測(cè)了2030年全球所有市場(chǎng)的鋰離子電池部署情況，分別如圖10和11所示。彭博社新能源財(cái)經(jīng)公司預(yù)測(cè)，鋰離子電池在全球消費(fèi)類電子產(chǎn)品、固定儲(chǔ)能市場(chǎng)和運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用將超過(guò)2TWh。Avicenne公司的預(yù)測(cè)涵蓋了以下兩種情況的市場(chǎng)以及其他市場(chǎng)（例如醫(yī)療設(shè)備和電動(dòng)工具），而兩項(xiàng)研究中，都認(rèn)為交通運(yùn)輸行業(yè)將采用90％以上的鋰離子電池。彭博社新能源財(cái)經(jīng)公司（BNEF）預(yù)計(jì)到2030年運(yùn)輸行業(yè)采用的鋰離子電池容量將達(dá)到1.8TWh，而Avicenne公司預(yù)計(jì)到2030年運(yùn)輸行業(yè)采用的鋰離子電池容量將達(dá)到0.7～1.0TWh。
國(guó)際能源署（IEA）發(fā)布的《2020年全球電動(dòng)汽車展望》報(bào)告只評(píng)估了交通運(yùn)輸行業(yè)，并按國(guó)家和地區(qū)預(yù)測(cè)了混合動(dòng)力和插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（xEV）的銷量。評(píng)估的第一種情況是“既定政策，并基于當(dāng)前的目標(biāo)、計(jì)劃和政策措施。此方案包括各國(guó)實(shí)現(xiàn)的混合動(dòng)力和插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（xEV）部署目標(biāo)、燃油車輛淘汰計(jì)劃、購(gòu)買激勵(lì)措施，以及針對(duì)全球七個(gè)主要市場(chǎng)（美國(guó)、歐盟、中國(guó)、日本、加拿大、智利、印度）。還考慮了原始設(shè)備制造商發(fā)布的有關(guān)擴(kuò)大混合動(dòng)力和插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（xEV）車型范圍的計(jì)劃以及擴(kuò)大其產(chǎn)量的計(jì)劃的公告。
根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）發(fā)布的STEPS方案，到2030年，全球車輛所需的鋰離子電池容量為1.6TWh，這與彭博社新能源財(cái)經(jīng)公司（BNEF）估計(jì)的1.8TWh相似。圖12和圖13分別按移動(dòng)性細(xì)分和區(qū)域詳細(xì)說(shuō)明了國(guó)際能源署（IEA）的STEPS方案。如圖12所示，輕型車輛是采用移動(dòng)式鋰離子電池的最大類別。而中國(guó)擁有最大的移動(dòng)鋰離子電池市場(chǎng)，如圖13所示。
圖12.根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）STEPS情景下預(yù)計(jì)的全球鋰離子電池部署量（按車輛類別：電動(dòng)客車、輕型車輛、中型和重型車輛）
圖13.根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）STEPS情景下預(yù)計(jì)的全球鋰離子電池部署量（按地區(qū)）
鋰離子電池容量是根據(jù)全球汽車銷售量（按類別）以及每種汽車的典型車載電池尺寸估算得出的。
國(guó)際能源署（IEA）還評(píng)估了第二種方案“可持續(xù)發(fā)展方案”，該方案假設(shè)混合動(dòng)力和插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（xEV）占據(jù)了全球輕、中、重型車輛和公共汽車的30％的汽車銷售份額。在這種情況下，到2030年可以增加多達(dá)3TWh的鋰離子電池容量。圖14比較了國(guó)際能源署（IEA）的這兩種情況。
圖14. 根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）STEPS情景下，在xEV行業(yè)中預(yù)計(jì)的全球年度鋰離子電池部署量
盡管有許多其他預(yù)測(cè)，但歐洲電動(dòng)汽車市場(chǎng)規(guī)模在2020年首次超過(guò)了中國(guó)，預(yù)計(jì)2020年將超過(guò)100萬(wàn)輛電動(dòng)汽車。這種增長(zhǎng)與歐洲的持續(xù)政策和補(bǔ)貼有關(guān)，而中國(guó)則減少了其電動(dòng)汽車補(bǔ)貼。例如，德國(guó)已設(shè)定了到2030年生產(chǎn)710萬(wàn)輛電動(dòng)汽車的目標(biāo)，并為每輛新型電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車提供最高9000歐元的補(bǔ)貼。德國(guó)還將在電池的研究和生產(chǎn)上投資超過(guò)15億歐元，計(jì)劃到2025年開始擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。
為了支持電動(dòng)汽車市場(chǎng)的快速擴(kuò)展，許多廠商都在投資電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施。全球電動(dòng)汽車充電端口目前超過(guò)了100萬(wàn)個(gè)，這是過(guò)去三年總和的兩倍。歐洲是電動(dòng)汽車市場(chǎng)擴(kuò)張的領(lǐng)頭羊，其電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施在2017年至2020年之間增長(zhǎng)了五倍。在同一時(shí)期，中國(guó)增長(zhǎng)了158％，美國(guó)的增長(zhǎng)了65％。而在氫燃料電池汽車方面進(jìn)行了大量投資的日本只增長(zhǎng)了30％。
與交通運(yùn)輸行業(yè)的增長(zhǎng)相比，固定儲(chǔ)能增長(zhǎng)比較平緩。這通常是因?yàn)榭稍偕茉赐ǔＪ浅杀咀畹偷陌l(fā)電來(lái)源，但是需要存儲(chǔ)其電力以減緩可變性。而美國(guó)是全球固定儲(chǔ)能部署的領(lǐng)導(dǎo)者。例如，在太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施替代裝機(jī)容量為9GW的天然氣發(fā)電設(shè)施之后，加州電網(wǎng)估計(jì)需要部署裝機(jī)容量為12GW的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行平衡。到目前為止，加州公用事業(yè)委員會(huì)已批準(zhǔn)了裝機(jī)容量總計(jì)為5.1GW的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，計(jì)劃到2022年完成部署。
2.鋰離子電池的制造
圖15.全球鋰離子電池生產(chǎn)區(qū)域
如圖15所示，全球鋰離子電池制造的大部分都在中國(guó)、美國(guó)、亞洲其他國(guó)家和歐洲各國(guó)。如今，中國(guó)以將近全球電池產(chǎn)能80％（電池容量為525GWh）占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。此外，到2025年電池產(chǎn)能將達(dá)到1400GWh，其市場(chǎng)占有率超過(guò)60％（圖16）。相比之下，美國(guó)落基山研究所預(yù)計(jì)2023年全球鋰離子電池的生產(chǎn)能力為1300GWh，其中一半在中國(guó)。
圖16. 計(jì)劃建設(shè)（藍(lán)色）或在建（紅色）的鋰離子電池制造工廠生產(chǎn)能力
美國(guó)是全球第二大電池生產(chǎn)國(guó)，其電池生產(chǎn)能力為當(dāng)前全球電池生產(chǎn)容量的8％，這主要?dú)w功于內(nèi)華達(dá)州運(yùn)營(yíng)的特斯拉和機(jī)松下公司合資的電池工廠。而如今美國(guó)正在建設(shè)更多的電池生產(chǎn)工廠，而憑借積極的新法規(guī)和政府支持的融資，歐洲的電池制造業(yè)有望顯著增長(zhǎng)。
盡管當(dāng)今中國(guó)在電池制造業(yè)中已經(jīng)確立主導(dǎo)地位，但由交通運(yùn)輸行業(yè)推動(dòng)的增長(zhǎng)可能會(huì)改變未來(lái)的全球足跡。歐洲為在本地和區(qū)域性增長(zhǎng)制定了強(qiáng)有力的政策和激勵(lì)措施。歐洲電池聯(lián)盟預(yù)測(cè)，到2025年，歐洲的電池制造行業(yè)規(guī)?？赡苓_(dá)到2500億歐元。目前，計(jì)劃在法國(guó)的杜文市和德國(guó)的凱撒斯勞滕建設(shè)兩個(gè)大型生產(chǎn)工廠，這些工廠可以為100萬(wàn)輛電動(dòng)汽車生產(chǎn)電池。法國(guó)和德國(guó)在電池生產(chǎn)的投資分別為15億歐元和35億歐元。
圖17和圖18總結(jié)了鋰離子電池的四個(gè)主要部分的整體制造能力：陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)鹽和電解質(zhì)溶液。目前，鋰離子陽(yáng)極主要由石墨組成，并主要由五個(gè)國(guó)家生產(chǎn)：中國(guó)、日本、美國(guó)、韓國(guó)和印度，分別占到全球產(chǎn)量的76％、13％、6％、4％和1％。鋰離子陰極在9個(gè)國(guó)家和地區(qū)生產(chǎn)，其組成隨著新的低鈷化學(xué)技術(shù)的發(fā)展而變化。超過(guò)一半（58％）在中國(guó)制造，其次是日本和韓國(guó)，它們分別占近17％。美國(guó)生產(chǎn)的陰極不到全球的1％。中國(guó)制造占多數(shù)。
圖17.全球鋰離子電池組件制造分布
電池和原料（例如金屬）的供應(yīng)和精煉以及各種鋰離子化學(xué)物質(zhì)的分配是鋰離子市場(chǎng)上的重要考慮因素，但不在本文檔的范圍之內(nèi)。
3.鋰離子電池研發(fā)
美國(guó)能源部車輛技術(shù)辦公室已經(jīng)確定了xEV電池（以及12V起停動(dòng)力電池）的商業(yè)化所面臨的主要挑戰(zhàn)：成本、性能、壽命、耐受性、回收利用和可持續(xù)性。針對(duì)這些改進(jìn)的關(guān)鍵研究領(lǐng)域包括：
?快速充電能力
?硅陽(yáng)極
?高能的低鈷陰極
?高壓陰極
?高壓電解液
?鋰金屬陽(yáng)極
?固態(tài)電池
?電池回收。
圖18提供了xEV鋰離子電池的成本和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。圖19概述了候選電池技術(shù)及其滿足美國(guó)能源部（DOE）成本目標(biāo)的可能能力。由于不同電池技術(shù)的差異很大，電池研究還包括多個(gè)活動(dòng)的重點(diǎn)是解決整個(gè)電池供應(yīng)鏈中的高成本領(lǐng)域。
圖18.電動(dòng)汽車鋰離子電池的成本和技術(shù)趨勢(shì)
圖19.未來(lái)各種電池技術(shù)成本降低的潛力
三、鉛酸電池
鉛酸電池如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用在交通運(yùn)輸和固定儲(chǔ)能市場(chǎng)用，主要為所有類型的公路和越野車輛提供SLI服務(wù)。此外，鉛酸電池大量應(yīng)用在工業(yè)部門，其中包括電信行業(yè)備份電源、UPS和數(shù)據(jù)中心以及叉車。如今，用于電網(wǎng)相關(guān)儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用量相對(duì)較少。
1.鉛酸電池市場(chǎng)
2013～2018年，全球鉛酸電池年銷售額增長(zhǎng)了20％以上，達(dá)到370億美元。目前，鉛酸電池占到所有可充電電池市場(chǎng)的70％以上；鉛酸電池銷售額的75％來(lái)自汽車SLI領(lǐng)域。江森自控公司以233億美元的銷售在汽車行業(yè)占主導(dǎo)地位。而Enersys公司以142億美元的銷售額在工業(yè)行業(yè)中領(lǐng)先。圖20和圖21分別以應(yīng)用場(chǎng)合和行業(yè)銷售額（10億美元）與儲(chǔ)能容量（GWh）的比例展現(xiàn)當(dāng)前的全球鉛酸電池市場(chǎng)情況。
圖20.按應(yīng)用劃分的2018年全球鉛酸電池部署量（％GWh）
圖21.按公司劃分的2018年鉛酸電池銷售量
Pillot 公司預(yù)測(cè)，到2030年，鉛酸電池需求將以5％的年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)（如圖22所示）。盡管鉛酸電池目前是固定和運(yùn)輸應(yīng)用（對(duì)于SLI）中最常見的電池，但預(yù)計(jì)到2025年它們的儲(chǔ)能容量（GWh）仍將領(lǐng)先，但可能會(huì)滯后于銷售額。希望在2020年及以后，輕度混合動(dòng)力和啟停混合動(dòng)力汽車將成為高級(jí)鉛酸電池的增長(zhǎng)領(lǐng)域。
圖22.預(yù)計(jì)全球所有市場(chǎng)的鉛酸蓄電池需求
預(yù)計(jì)到2025年，新車的銷售量將使鉛酸電池需求可能小幅增長(zhǎng)，屆時(shí)其增長(zhǎng)將趨于平穩(wěn)（如圖23所示）。由于更換電池的時(shí)間比較頻繁（最短的工作壽命為3年），盡管中型和重型車輛的電池規(guī)模更大，但由于它們?cè)诳備N量中的顯著優(yōu)勢(shì)，所有SLI應(yīng)用（GWh）中有70％以上都來(lái)自輕型車輛（如圖24所示）。
圖23.彭博社新能源財(cái)經(jīng)公司預(yù)計(jì)各地汽車銷量中鉛酸電池產(chǎn)能的增長(zhǎng)
圖24.按類別劃分的汽車銷量預(yù)計(jì)鉛酸電池產(chǎn)能增加量
用于混合動(dòng)力汽車起停（12V）的鉛酸電池是鉛酸電池市場(chǎng)潛在的增長(zhǎng)領(lǐng)域。微型混合動(dòng)力汽車比傳統(tǒng)汽車節(jié)省5％的燃料，其價(jià)格比全混合動(dòng)力電動(dòng)汽車便宜10倍。
如圖25和26所示，2017年是固定儲(chǔ)能市場(chǎng)鉛酸電池快速增長(zhǎng)的元年。圖25表明，其增長(zhǎng)主要是由中國(guó)的強(qiáng)勁市場(chǎng)需求推動(dòng)的，歐洲也有一些增長(zhǎng)，而美國(guó)的增長(zhǎng)則很少。圖26詳細(xì)說(shuō)明了應(yīng)用領(lǐng)域細(xì)分情況。在2017年之前，固定市場(chǎng)主要是與電網(wǎng)相關(guān)的應(yīng)用，此外工業(yè)用途也推動(dòng)了爆炸性增長(zhǎng)。
鉛酸電池行業(yè)廠商認(rèn)為，基于技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)發(fā)展，鉛酸電池在未來(lái)的固定式儲(chǔ)能市場(chǎng)中仍然具有巨大的商機(jī)，其中包括：
·投資于電池雙極設(shè)計(jì)以增加能量密度，并降低成本。
·用戶側(cè)儲(chǔ)能和其他對(duì)安全至關(guān)重要的應(yīng)用。
·電信行業(yè)將在發(fā)展中國(guó)家發(fā)展，并用于5G技術(shù)的部署。
圖25全球鉛酸電池市場(chǎng)增長(zhǎng)主要是由中國(guó)的強(qiáng)勁需求推動(dòng)（2008年～2020年）
圖26 鉛酸電池在各種領(lǐng)域的應(yīng)用（2008年～2020年）
2.鉛酸電池在美國(guó)的生產(chǎn)
在美國(guó)，鉛酸電池行業(yè)的年產(chǎn)值為263億美元。它們?cè)诿绹?guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，并且99％被回收。鉛酸電池在美國(guó)18個(gè)州生產(chǎn)。此外，美國(guó)有10個(gè)州有電池回收設(shè)施，有9個(gè)州擁有技術(shù)開發(fā)設(shè)施，還有10個(gè)州的公司為鉛酸工業(yè)提供原材料（例如石墨）或設(shè)備。鉛酸電池行業(yè)已經(jīng)在美國(guó)38個(gè)州創(chuàng)造了近25,000個(gè)工作崗位（制造。回收、運(yùn)輸、分配和采礦）。圖27和28分別顯示了美國(guó)電池制造設(shè)施分布和創(chuàng)造的就業(yè)機(jī)會(huì)。
圖27.美國(guó)鉛酸電池行業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)分布
圖28美國(guó)各州與鉛酸電池行業(yè)相關(guān)的工作分布
