中國儲能網(wǎng)訊：二．鋰離子電池技術(shù)
鋰離子電池廣泛應(yīng)用于固定儲能市場和交通運輸市場，它們也是消費電子產(chǎn)品中的主要電源。多家琛分析機構(gòu)預(yù)計，鋰離子電池在未來10年內(nèi)仍將占據(jù)儲能部署的大部分市場份額。
儲能技術(shù)正在從鉛酸電池過渡到具有更長的循環(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)計進行改進的問題。而普魯士藍類鈉離子電池是另一種提供高功率和極長循環(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
鋰離子電池市場是增長最快的可充電電池市場。從2013年至2018年，鋰離子電池在所有市場的全球銷售額增長了一倍以上。交通運輸行業(yè)在鋰離子電池市場上占主導(dǎo)地位，也是增長最快的行業(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)查報告，全球鋰離子電池市場規(guī)模在2018年為400億美元，如圖9所示，這相當于在全球部署172GWh的電池儲能系統(tǒng)，到2019年增至195GWh。
幾家分析機構(gòu)預(yù)測未來十年的鋰離子市場發(fā)展趨勢。其基本假設(shè)以及分析中包括的市場取決于具體的來源。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10年在各種市場的應(yīng)用
圖10. 彭博社新能源財經(jīng)公司對鋰離子電池在全球各地市場的部署預(yù)測
圖11. Avicenne公司對鋰離子電池在全球各地市場的部署預(yù)測
彭博社新能源財經(jīng)公司（BNEF）和Avicenne公司預(yù)測了2030年全球所有市場的鋰離子電池部署情況，分別如圖10和11所示。彭博社新能源財經(jīng)公司預(yù)測，鋰離子電池在全球消費類電子產(chǎn)品、固定儲能市場和運輸領(lǐng)域的應(yīng)用將超過2TWh。Avicenne公司的預(yù)測涵蓋了以下兩種情況的市場以及其他市場（例如醫(yī)療設(shè)備和電動工具），而兩項研究中，都認為交通運輸行業(yè)將采用90％以上的鋰離子電池。彭博社新能源財經(jīng)公司（BNEF）預(yù)計到2030年運輸行業(yè)采用的鋰離子電池容量將達到1.8TWh，而Avicenne公司預(yù)計到2030年運輸行業(yè)采用的鋰離子電池容量將達到0.7～1.0TWh。
國際能源署（IEA）發(fā)布的《2020年全球電動汽車展望》報告只評估了交通運輸行業(yè)，并按國家和地區(qū)預(yù)測了混合動力和插電式混合動力電動汽車（xEV）的銷量。評估的第一種情況是“既定政策，并基于當前的目標、計劃和政策措施。此方案包括各國實現(xiàn)的混合動力和插電式混合動力電動汽車（xEV）部署目標、燃油車輛淘汰計劃、購買激勵措施，以及針對全球七個主要市場（美國、歐盟、中國、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)擴大混合動力和插電式混合動力電動汽車（xEV）車型范圍的計劃以及擴大其產(chǎn)量的計劃的公告。
根據(jù)國際能源署（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經(jīng)公司（BNEF）估計的1.8TWh相似。圖12和圖13分別按移動性細分和區(qū)域詳細說明了國際能源署（IEA）的STEPS方案。如圖12所示，輕型車輛是采用移動式鋰離子電池的最大類別。而中國擁有最大的移動鋰離子電池市場，如圖13所示。
圖12.根據(jù)國際能源署（IEA）STEPS情景下預(yù)計的全球鋰離子電池部署量（按車輛類別：電動客車、輕型車輛、中型和重型車輛）
圖13.根據(jù)國際能源署（IEA）STEPS情景下預(yù)計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。
國際能源署（IEA）還評估了第二種方案“可持續(xù)發(fā)展方案”，該方案假設(shè)混合動力和插電式混合動力電動汽車（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3TWh的鋰離子電池容量。圖14比較了國際能源署（IEA）的這兩種情況。
圖14. 根據(jù)國際能源署（IEA）STEPS情景下，在xEV行業(yè)中預(yù)計的全球年度鋰離子電池部署量
盡管有許多其他預(yù)測，但歐洲電動汽車市場規(guī)模在2020年首次超過了中國，預(yù)計2020年將超過100萬輛電動汽車。這種增長與歐洲的持續(xù)政策和補貼有關(guān)，而中國則減少了其電動汽車補貼。例如，德國已設(shè)定了到2030年生產(chǎn)710萬輛電動汽車的目標，并為每輛新型電動汽車和混合動力汽車提供最高9000歐元的補貼。德國還將在電池的研究和生產(chǎn)上投資超過15億歐元，計劃到2025年開始擴大生產(chǎn)規(guī)模。
為了支持電動汽車市場的快速擴展，許多廠商都在投資電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施。全球電動汽車充電端口目前超過了100萬個，這是過去三年總和的兩倍。歐洲是電動汽車市場擴張的領(lǐng)頭羊，其電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施在2017年至2020年之間增長了五倍。在同一時期，中國增長了158％，美國的增長了65％。而在氫燃料電池汽車方面進行了大量投資的日本只增長了30％。
與交通運輸行業(yè)的增長相比，固定儲能增長比較平緩。這通常是因為可再生能源通常是成本最低的發(fā)電來源，但是需要存儲其電力以減緩可變性。而美國是全球固定儲能部署的領(lǐng)導(dǎo)者。例如，在太陽能發(fā)電設(shè)施替代裝機容量為9GW的天然氣發(fā)電設(shè)施之后，加州電網(wǎng)估計需要部署裝機容量為12GW的儲能系統(tǒng)進行平衡。到目前為止，加州公用事業(yè)委員會已批準了裝機容量總計為5.1GW的電池儲能系統(tǒng)，計劃到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、美國、亞洲其他國家和歐洲各國。如今，中國以將近全球電池產(chǎn)能80％（電池容量為525GWh）占據(jù)市場主導(dǎo)地位。此外，到2025年電池產(chǎn)能將達到1400GWh，其市場占有率超過60％（圖16）。相比之下，美國落基山研究所預(yù)計2023年全球鋰離子電池的生產(chǎn)能力為1300GWh，其中一半在中國。
圖16. 計劃建設(shè)（藍色）或在建（紅色）的鋰離子電池制造工廠生產(chǎn)能力
美國是全球第二大電池生產(chǎn)國，其電池生產(chǎn)能力為當前全球電池生產(chǎn)容量的8％，這主要歸功于內(nèi)華達州運營的特斯拉和機松下公司合資的電池工廠。而如今美國正在建設(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。
盡管當今中國在電池制造業(yè)中已經(jīng)確立主導(dǎo)地位，但由交通運輸行業(yè)推動的增長可能會改變未來的全球足跡。歐洲為在本地和區(qū)域性增長制定了強有力的政策和激勵措施。歐洲電池聯(lián)盟預(yù)測，到2025年，歐洲的電池制造行業(yè)規(guī)模可能達到2500億歐元。目前，計劃在法國的杜文市和德國的凱撒斯勞滕建設(shè)兩個大型生產(chǎn)工廠，這些工廠可以為100萬輛電動汽車生產(chǎn)電池。法國和德國在電池生產(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主要部分的整體制造能力：陽極、陰極、電解質(zhì)鹽和電解質(zhì)溶液。目前，鋰離子陽極主要由石墨組成，并主要由五個國家生產(chǎn)：中國、日本、美國、韓國和印度，分別占到全球產(chǎn)量的76％、13％、6％、4％和1％。鋰離子陰極在9個國家和地區(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。超過一半（58％）在中國制造，其次是日本和韓國，它們分別占近17％。美國生產(chǎn)的陰極不到全球的1％。中國制造占多數(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。針對這些改進的關(guān)鍵研究領(lǐng)域包括：
?快速充電能力
?硅陽極
?高能的低鈷陰極
?高壓陰極
?高壓電解液
?鋰金屬陽極
?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。圖19概述了候選電池技術(shù)及其滿足美國能源部（DOE）成本目標的可能能力。由于不同電池技術(shù)的差異很大，電池研究還包括多個活動的重點是解決整個電池供應(yīng)鏈中的高成本領(lǐng)域。
圖18.電動汽車鋰離子電池的成本和技術(shù)趨勢
圖19.未來各種電池技術(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)用在交通運輸和固定儲能市場用，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)儲能系統(tǒng)的應(yīng)用量相對較少。
1.鉛酸電池市場
2013～2018年，全球鉛酸電池年銷售額增長了20％以上，達到370億美元。目前，鉛酸電池占到所有可充電電池市場的70％以上；鉛酸電池銷售額的75％來自汽車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)用場合和行業(yè)銷售額（10億美元）與儲能容量（GWh）的比例展現(xiàn)當前的全球鉛酸電池市場情況。
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，到2030年，鉛酸電池需求將以5％的年增長率增長（如圖22所示）。盡管鉛酸電池目前是固定和運輸應(yīng)用（對于SLI）中最常見的電池，但預(yù)計到2025年它們的儲能容量（GWh）仍將領(lǐng)先，但可能會滯后于銷售額。希望在2020年及以后，輕度混合動力和啟?；旌蟿恿ζ噷⒊蔀楦呒夈U酸電池的增長領(lǐng)域。
圖22.預(yù)計全球所有市場的鉛酸蓄電池需求
預(yù)計到2025年，新車的銷售量將使鉛酸電池需求可能小幅增長，屆時其增長將趨于平穩(wěn)（如圖23所示）。由于更換電池的時間比較頻繁（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，但由于它們在總銷量中的顯著優(yōu)勢，所有SLI應(yīng)用（GWh）中有70％以上都來自輕型車輛（如圖24所示）。
圖23.彭博社新能源財經(jīng)公司預(yù)計各地汽車銷量中鉛酸電池產(chǎn)能的增長
圖24.按類別劃分的汽車銷量預(yù)計鉛酸電池產(chǎn)能增加量
用于混合動力汽車起停（12V）的鉛酸電池是鉛酸電池市場潛在的增長領(lǐng)域。微型混合動力汽車比傳統(tǒng)汽車節(jié)省5％的燃料，其價格比全混合動力電動汽車便宜10倍。
如圖25和26所示，2017年是固定儲能市場鉛酸電池快速增長的元年。圖25表明，其增長主要是由中國的強勁市場需求推動的，歐洲也有一些增長，而美國的增長則很少。圖26詳細說明了應(yīng)用領(lǐng)域細分情況。在2017年之前，固定市場主要是與電網(wǎng)相關(guān)的應(yīng)用，此外工業(yè)用途也推動了爆炸性增長。
鉛酸電池行業(yè)廠商認為，基于技術(shù)進步和市場發(fā)展，鉛酸電池在未來的固定式儲能市場中仍然具有巨大的商機，其中包括：
·投資于電池雙極設(shè)計以增加能量密度，并降低成本。
·用戶側(cè)儲能和其他對安全至關(guān)重要的應(yīng)用。
·電信行業(yè)將在發(fā)展中國家發(fā)展，并用于5G技術(shù)的部署。
圖25全球鉛酸電池市場增長主要是由中國的強勁需求推動（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.鉛酸電池在美國的生產(chǎn)
在美國，鉛酸電池行業(yè)的年產(chǎn)值為263億美元。它們在美國國內(nèi)生產(chǎn)，并且99％被回收。鉛酸電池在美國18個州生產(chǎn)。此外，美國有10個州有電池回收設(shè)施，有9個州擁有技術(shù)開發(fā)設(shè)施，還有10個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38個州創(chuàng)造了近25,000個工作崗位（制造?；厥?、運輸、分配和采礦）。圖27和28分別顯示了美國電池制造設(shè)施分布和創(chuàng)造的就業(yè)機會。
圖27.美國鉛酸電池行業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)分布
圖28美國各州與鉛酸電池行業(yè)相關(guān)的工作分布
