中國儲能網訊：先進電池被列為美國四大關鍵產品供應鏈之一，也是美國保持并提升經濟競爭力、實現(xiàn)清潔能源轉型的重要手段。近年來美國政府陸續(xù)出臺政策，支持美國完整的先進電池產業(yè)鏈建設，并加大對科技的投入和創(chuàng)新平臺建設，企業(yè)界也紛紛加大電池領域的投資力度。本工作介紹了美國政府近期出臺的扶持先進電池技術和相關產業(yè)的政策，包括白宮發(fā)布《先進電池供應鏈安全百日評估報告》、拜登政府在《基礎設施投資和就業(yè)法案》中設立電池相關條款，以及政府制定《美國鋰電池2021—2030國家藍圖》和發(fā)布《儲能大挑戰(zhàn)路線圖》等。分析了美國政府部門對電池創(chuàng)新的支持和相關創(chuàng)新平臺建設，包括設立儲能、電池、先進車輛等技術研發(fā)計劃和專項。綜述了在政策支持下，美國先進電池產業(yè)投資實施方案和發(fā)展動態(tài)，包括汽車企業(yè)加大電池產業(yè)投入、一批美國初創(chuàng)電池企業(yè)快速成長、電池供應鏈投資加大等。在此基礎上，研究了美國先進電池技術和產業(yè)發(fā)展對我國電池領域發(fā)展帶來的影響，并提出了我國應對挑戰(zhàn)的政策建議。
關鍵詞 先進電池；電池產業(yè)鏈；科技計劃；科技政策
美國拜登政府為了通過綠色經濟帶動其整體經濟增長，將能源氣候領域作為其新政的重中之重，并提出2050年實現(xiàn)美國凈零排放的目標。2021年先進電池被列為美國四大關鍵產品供應鏈之一，拜登政府認為先進電池技術對于電動汽車、固定儲能系統(tǒng)等領域的重要性與日俱增，是實現(xiàn)清潔能源轉型和脫碳目標、提升美國經濟競爭力的重要技術。為了推動先進電池技術和產業(yè)的發(fā)展，美國政府陸續(xù)出臺一系列政策，支持國內先進電池產業(yè)鏈建設，同時，加大科技投入和創(chuàng)新平臺建設力度，產業(yè)界也加大電池領域的投資。鑒于此，通過分析美國政府系列措施對我國電池產業(yè)發(fā)展將帶來的影響和挑戰(zhàn)，提出對我國電池產業(yè)發(fā)展的啟示和政策建議。
1 制定國家戰(zhàn)略、計劃和扶持政策
1.1 發(fā)布《先進電池供應鏈安全百日評估報告》
自拜登政府將先進電池列為美國四大關鍵產品供應鏈之一，美國能源部在2021年6月發(fā)布《先進電池供應鏈安全百日評估報告》，報告認為大容量電池對美國經濟和國家安全至關重要，并針對國內電池供應鏈脆弱的問題提出了政策建議。
報告指出，在先進的大容量電池領域，美國目前在主要電池部件和電池制造方面的全球市場份額不到10%。美國作為電動車凈出口國，但嚴重依賴從中國等國進口先進電池組所需的原材料，其供應鏈脆弱體現(xiàn)在供應鏈關鍵技術的可用性低、成本高以及制造先進電池的勞動力缺乏等。預計到2030年，全球鋰電池市場將增長5～10倍，美國必須立即進行投資，在本土擴大安全、多樣化的大容量電池供應鏈。
報告評估了大容量電池供應鏈的主要環(huán)節(jié)，并針對潛在漏洞風險提出政策建議。如在原材料生產方面，高容量鋰離子電池關鍵材料(尤其是鎳、鋰和鈷)存在上游供應鏈的風險，本土開采重點應根據已知儲量來滿足所需的關鍵材料(如鋰)生產；在材料精煉和加工方面，目前存在不足，應提高材料精煉與加工以及回收利用能力來保障供應鏈安全；在電池材料制造和電池制造方面，美國本土的產能占全球市場份額不到10%；在電池組件和終端產品制造方面，可滿足北美地區(qū)的電動汽車生產需求，但仍落后于其他市場；在電池報廢和回收方面，可以加強關鍵材料的回收利用，減少新的采礦需求。為建設具有彈性的大容量電池供應鏈，提出的政策建議包括：刺激國產大容量電池的終端產品使用需求(含運輸業(yè)、公用事業(yè)部門)；加強關鍵先進電池礦物的可靠來源供應(包括：制定針對各類礦產的戰(zhàn)略、全面提高勞動和環(huán)境標準、加強回收利用政策)，確?；厥蘸吞幚淼玫椒献罡攮h(huán)境標準促進可持續(xù)的本土電池材料、電池和電池組生產，對保持競爭優(yōu)勢至關重要的人才和創(chuàng)新加大投資。
針對報告的評估結果，美國能源部立即采取了強化美國本土先進電池供應鏈行動，聯(lián)合發(fā)布《美國鋰電池2021—2030年國家藍圖》，為電動汽車先進電池供應鏈提供約170億美元的融資，用于在美國重新裝備、建立或擴建此類電池供應鏈生產設施。
1.2 制定《美國鋰電池2021—2030年國家藍圖》
美國能源部、國防部、商務部、國務院四部門聯(lián)合組建了聯(lián)邦先進電池聯(lián)盟(FCAB)，聯(lián)邦先進電池聯(lián)盟將美國國內鋰電池供應方面相關的聯(lián)邦機構聚集在一起，以建立美國本土鋰電池材料和技術的完整供應鏈，指導聯(lián)邦政府對美國國內鋰電池制造價值鏈的投資，應對未來鋰電市場的大幅增長，為美國帶來清潔能源制造業(yè)的就業(yè)機會，進而加速建設強大的、安全的美國本土先進電池工業(yè)基礎。
聯(lián)邦先進電池聯(lián)盟發(fā)布了首份由美國政府主導制定的鋰電池發(fā)展政策——《美國鋰電池2021—2030年國家藍圖》。對于鋰電池供應鏈的每一個階段，該藍圖確定了聯(lián)邦機構可以采取的關鍵行動，以增強美國鋰電池行業(yè)的實力。藍圖提出5大愿景目標：一是確保原材料、精煉材料和加工材料的可靠供應，努力尋求可持續(xù)的替代品，減少對鈷和鎳等稀有材料的依賴；二是加快美國鋰電池材料加工的發(fā)展，減少鋰電池中關鍵原材料的使用并提高陰極、陽極、電解質等電池材料加工工藝水平，達到降低成本的目的；三是制定聯(lián)邦政策框架，支持美國電極、電池芯、電池組的發(fā)展，特別是要建立公平和持久的供應鏈，鼓勵鋰電池需求市場的增長；四是形成報廢鋰離子電池的再循環(huán)利用價值鏈，同時開發(fā)新方法降低回收成本；五是加強對科學、技術、工程和數(shù)學的科技人才隊伍的支持，為美國建立具有競爭力和公平性的鋰電池供應鏈提供人才保障。藍圖的核心目的是建立美國鋰電池材料、部件供應、自主生產、回收以及科研引領能力。在研發(fā)方面，藍圖提出了2030年要實現(xiàn)的遠期目標，包括：加快研發(fā)，實現(xiàn)示范和規(guī)模化生產革命性的電池技術，實現(xiàn)生產成本低于60美元/kWh和比能量為500 Wh/kg，以及不含鈷和鎳固態(tài)和鋰金屬電池。
1.3 發(fā)布《儲能大挑戰(zhàn)路線圖》
2017—2020年期間，美國能源部在儲能相關技術研發(fā)投入了16億美元資金，平均每年4億美元。雖然儲能業(yè)務相關部門已制定了各自的發(fā)展目標與方向，但能源部尚未提出全面解決儲能問題的系統(tǒng)戰(zhàn)略。為此，能源部于2020年1月推出“儲能大挑戰(zhàn)”計劃，預算1.58億美元，支持以長儲能為主的技術研發(fā)，旨在加速下一代儲能技術的開發(fā)、商業(yè)化和應用，以維持美國在儲能領域的全球領導地位。
2020年12月，美國能源部正式發(fā)布了一份《儲能大挑戰(zhàn)路線圖》報告，報告的愿景是通過儲能技術使美國乃至全球能源系統(tǒng)更具彈性、靈活性、可承受性和安全性，進一步提升儲能發(fā)展戰(zhàn)略地位。通過“三大技術”和“五大路徑”層層推進美國在儲能領域的發(fā)展，打造以終端使用為目標、研發(fā)和產業(yè)相結合的完整儲能產業(yè)鏈，最終構建、維持美國在儲能技術領域全球的領先地位，實現(xiàn)2030年美國本土制造能夠滿足美國所有市場需求，并達到美國創(chuàng)新、美國制造、全球部署及全球的領導地位。
其中儲能領域三大技術方向包括：雙向電力儲能技術、化學儲能和熱儲能技術、靈活性電源和可控負荷。其中在雙向電力儲能技術中重點強調了鋰離子電池、鈉系(含鈉離子、鈉基金屬電池)二次電池、鉛酸電池、鋅體系二次電池，還包括其他金屬(鎂、鋁)體系電池、液流電池、可充電燃料電池、電化學電容器在內的電化學儲能技術等。美國能源部確定了一系列成本目標，為了實現(xiàn)這一目標，美國能源部將推動儲能在一系列領域的商業(yè)應用，包括：滿足高峰需求期間的負荷，保障電網能夠滿足電動汽車快速充電，確保關鍵基礎設施(包括信息通信技術)的可靠性。到2030年，美國能源部要求長期固定式儲能的平均成本降至0.05美元/千瓦時，比2020年降低90%；300英里續(xù)航電動汽車的電池組成本降至80美元/千瓦時，與目前143美元/千瓦時的鋰離子電池相比降低44%。
五大路徑行動包括：技術開發(fā)、制造和供應鏈、技術轉化、政策與評估、勞動力培養(yǎng)。在技術開發(fā)方面，當前和未來的儲能研發(fā)活動將圍繞以用戶為中心和維持美國長期領導地位的目標進行部署，包括：①更新2030年之后的儲能技術性能和成本目標，確定2030年前實現(xiàn)成本目標的研發(fā)路徑和儲能技術組合；②開發(fā)標準化的度量標準，支持美國創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)(包括國家實驗室、大學、初創(chuàng)企業(yè))儲能技術從實驗室到市場轉化。在制造和供應鏈方面，加強美國儲能制造業(yè)發(fā)展的技術、方法和策略，實現(xiàn)美國在創(chuàng)新和規(guī)模制造方面的領導地位，包括：①深入理解各種儲能技術生產和制造中的技術障礙和關鍵技術指標，通過技術創(chuàng)新降低制造成本，克服技術壁壘；②加速新興制造工藝的推廣，制定系統(tǒng)設計和測試標準；③強化國內供應鏈(包括與盟友)的合作，提高國內供應鏈彈性，推進關鍵材料采購的多樣化，改善回收利用過程，減少對國外原材料和零部件的依賴，建立國內電池制造生態(tài)圈。在技術轉化方面，通過現(xiàn)場驗證、示范項目、公私合作、融資業(yè)務模式開發(fā)以及高質量市場數(shù)據的傳播，確保能源部研發(fā)成果向國內市場轉化，包括：①加強外部合作伙伴與能源部國家實驗室合作關系，加速技術創(chuàng)新推向市場進程；②擴大數(shù)據收集和分析，開展全球化項目技術測試，提供市場分析報告，降低技術市場轉化風險；③尋求行業(yè)合作和跨部門參與，解決儲能技術的融資風險。在政策與評估方面，提供數(shù)據、工具和分析方法，以支持政策決策并最大程度地發(fā)揮儲能的價值，包括：①識別和評估各地方政府政策法規(guī)，開發(fā)最前沿的數(shù)據、工具和分析系統(tǒng)，解決政策評估問題；②制定一個協(xié)調、系統(tǒng)的客戶參與計劃，幫助利益相關方做出明智決定，實現(xiàn)儲能技術的效用和價值最大化。在勞動力培養(yǎng)方面，培養(yǎng)研究、開發(fā)、設計、制造和運營儲能系統(tǒng)的專業(yè)人才隊伍，包括：①對所有教育層次和目標人群進行需求評估和技能評估；②增加利益相關方的投入，為員工發(fā)展提供創(chuàng)新機會，促進應對更廣泛的儲能技術挑戰(zhàn)，滿足勞動力發(fā)展需求。
除儲能技術外，美國能源部通過梳理各相關部門的職能，構建各層級政府間以及各相關部門間儲能工作的協(xié)調與參與機制，并提出具體行動及衡量行動是否成功的標準。
1.4 加大力度推動電動汽車市場，帶動電池技術和產業(yè)發(fā)展
2021年，為了推動美國電動汽車的未來向前發(fā)展、超越中國并應對氣候危機，在美國《重建更好未來計劃》中制定了一個新目標，即在2030年銷售的所有新車中，確保一半是零排放汽車，包括純電動、插電式混合動力電動或燃料電池電動汽車。同年5月美國通過了《美國清潔能源法案》提案，提案計劃提供316億美元電動車消費稅收抵免，對滿足條件的車輛將稅收抵免上限提升至1.25萬美元/車；同時，放寬汽車廠商享受稅收減免的20萬輛限額，并將提供1000億美元購置補貼；在滲透率達到50%后，稅收抵免政策將會在三年內退出。同年8月，面對全球市場正在轉向電動汽車的浪潮、美國在電動汽車電池制造的競賽中落后以及美國插電式電動汽車銷量的市場份額僅為中國電動汽車市場1/3等現(xiàn)狀，美國就加強清潔汽車和卡車方面宣布一系列行政命令。行政命令明確美國必須在清潔高效的汽車和卡車方面引領世界，圍繞實現(xiàn)目標，提出政府將優(yōu)先制定明確的標準，擴大關鍵基礎設施，激勵關鍵創(chuàng)新，增加整個供應鏈中就業(yè)機會。行政命令提出現(xiàn)在是美國通過投資推動在電動汽車制造、基礎設施和創(chuàng)新方面處于領先地位的時候，其目標是建立有史以來第一個全國性的電動汽車充電站網絡。在行政令中，福特、通用汽車和Stellantis聯(lián)合聲明表示“到2030年實現(xiàn)美國電動汽車年銷量的40%～50%，以使美國更符合巴黎氣候目標的零排放未來；希望政府及時部署實施在《重建更好未來計劃》中承諾的全套電氣化政策，包括購買激勵措施、足夠密度的綜合充電網絡”。汽車創(chuàng)新聯(lián)盟總裁兼首席執(zhí)行官聲明：“汽車制造商致力于實現(xiàn)凈零碳運輸?shù)奈磥?，汽車行業(yè)已承諾投資超過3300億美元，將新型電動汽車(EV)推向市場”。
1.5 美國《基礎設施投資和就業(yè)法案》中設立電池相關條款，加大對電池加工制造和回收的補助
2021年11月，拜登總統(tǒng)簽署了《基礎設施投資和就業(yè)法案》，在“清潔能源技術供應鏈”條款中，包含電池加工制造和電動汽車電池回收及二次使用方案兩個與電池相關的部分。法案還提出將投資75億美元在美國建立一個全國電動汽車充電器網絡。
在法案的電池加工制造部分涉及先進電池、先進電池組件、電池材料、適用實體、外國相關實體、制造、過程、回收，設立“電池材料加工資助計劃”“電池制造和回收資助計劃”“鋰離子電池回收獎競賽”“電池和關鍵礦物回收項目”。“電池材料加工資助計劃”目的是確保美國有一個可行的電池材料加工業(yè)以供應北美電池供應鏈；擴大美國在先進電池制造方面的能力；通過減少美國在關鍵材料和技術方面對外國競爭對手的依賴來加強國家安全；提高國內電池材料和先進電池所需礦物的加工能力。根據該計劃，符合條件的實體可得到資助:在美國開展一個或多個電池材料加工示范項目；在美國建設一個或更多新的商業(yè)規(guī)模的電池材料加工設施；重組、改造或擴建位于美國的一個或多個現(xiàn)有電池材料加工設施?！半姵刂圃旌突厥召Y助計劃”的目的是確保美國有一個可行的國內制造和回收能力，以支持和維持北美電池供應鏈。在該計劃下，向符合條件的實體給予支持一個或多個先進電池組件制造、先進電池制造和回收的示范項目；在美國建立一個或更多新的商業(yè)規(guī)模的先進電池組件制造、先進電池制造或回收設施；以及重組、改造或擴建位于美國的一個或多個現(xiàn)有設施，并經部長確定具備先進電池組件制造、先進電池制造和回收的資質。
在電動汽車電池回收及二次使用方案部分涉及電動汽車電池的二次生命應用以及電動汽車電池再循環(huán)和處理的技術和工藝。電動汽車電池回收及二次使用方案的目標是提高電動汽車電池的回收率和二次使用率，為電動汽車電池關鍵材料建立可替代供應鏈，降低電動汽車電池使用成本，并改善電動汽車電池回收過程對環(huán)境的影響。
2022年2月，根據兩黨《基礎設施和就業(yè)法案》，美國能源部發(fā)布“電池材料加工和電池制造”和“電動汽車電池回收和二次利用”資助招標計劃，提供29.1億美元促進先進電池的生產，確保美國能夠建立本土電池供應鏈。在“電池材料加工和電池制造”計劃中，重點支持電極材料從原料提取分離到正極制造的國內商業(yè)化規(guī)模生產，利用合成原料和天然原料制造電池級石墨的國內商業(yè)化規(guī)模生產，完成國內商業(yè)化規(guī)模的電池材料提取和加工，實現(xiàn)國內從非傳統(tǒng)原料來源進行分離和電池級材料的生產示范，進行國內電池材料分離與加工的示范，國內商業(yè)規(guī)模的電池組件制造和電池回收，國內電池單元級元件制造的示范等。在“電動汽車電池回收與二次利用”計劃中，支持電池回收和重新整合到電池供應鏈以及電池二次利用大規(guī)模示范等。
2 加大科技計劃支持和創(chuàng)新平臺建設
2.1 發(fā)揮國家實驗室作用，設立電動汽車下一代電池研發(fā)計劃
能源部認為先進的鋰電池在21世紀的技術中起著不可或缺的作用，如電動汽車、固定電網存儲在國防中的應用，這些技術對確保美國清潔能源的未來至關重要。2021年10月美國能源部計劃提供2.09億美元資金，宣布支持阿貢國家實驗室等開展全固態(tài)電池、電池快充技術等領域26個項目研發(fā)。此次研究項目的關鍵目標是顯著降低下一代電池技術的成本和尺寸，推進電池在15分鐘內極速充電，以減輕全國范圍內充電的數(shù)千萬輛汽車對電網的潛在影響等。研究項目包括電池500第二階段、通過材料設計和集成實現(xiàn)長循環(huán)壽命和高能量密度的固態(tài)電池、低壓全固態(tài)電池、全固態(tài)鋰電池的3D打印、高能全固態(tài)鋰硫電池的穩(wěn)定固態(tài)電解質及界面、鋰離子電池極速充電電池等，其中重點研究固態(tài)電解質技術包括多種固體電解質、陶瓷固體電解質、復合固體電解質等，承擔項目牽頭單位包括8家國家實驗室，其中橡樹嶺國家實驗室6項，勞倫斯柏克萊國家實驗室和阿爾貢國家實驗室各5項，國家可再生能源實驗室3項，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、太平洋西北國家實驗室和國家加速器實驗室各2項，布魯克哈文國家實驗室1項，具體研究項目如表1所示。
表1 美國能源部2.09億美元資助的電動汽車電池研發(fā)項目
2021年，美國能源部阿貢國家實驗室牽頭成立“鋰橋”(Li-bridge)，作為一項新的公私合作伙伴關系項目，旨在整合和協(xié)調美國政府、私營企業(yè)和國家實驗室等研發(fā)機構，致力于加速建立健全和安全的鋰電池國內供應鏈。阿貢國家實驗室將通過聯(lián)邦先進電池聯(lián)盟(FCAB)與聯(lián)邦部門進行合作，旨在使美國走上在全球電池價值鏈中具有長期競爭力的道路。
2.2 設立“促進鋰電池回收再利用”專項
美國能源部資助2050萬美元用于促進鋰電池回收再利用技術，通過整合國家實驗室、大學和私營企業(yè)的研究力量，將鋰離子電池回收率從目前不到5%提高到90%，加速推進鋰電池關鍵材料回收再利用技術研發(fā)。能源部資助金額的1500萬美元用于支持阿貢國家實驗室、國家可再生能源實驗室和橡樹嶺國家實驗室合作成立鋰電池回收再利用研發(fā)中心，重點關注具有成本效益的回收再利用工藝研發(fā)，以盡可能多地從廢舊鋰電池中回收和再利用能夠廣泛使用的高價值關鍵材料，如鈷、鋰等；能源部資助金額550萬美元用于設立“鋰離子電池回收競賽”獎金，旨在鼓勵美國相關企業(yè)探索收集、儲存和運輸廢棄的鋰離子電池(涵蓋電動汽車、消費電子、工業(yè)和固定應用領域)的創(chuàng)新解決方案，加速從概念原型推進到示范項目，解決電池回收再利用中面臨的五大挑戰(zhàn)。
2.3 成立國家級儲能研發(fā)中心，支持儲能大挑戰(zhàn)項目
2021年3月，美國能源部投入7500萬美元，依托西北太平洋國家實驗室(PNNL)成立國家級儲能技術研發(fā)中心(GLS)，推進低成本長時儲能技術研發(fā)，通過整合學術界和產業(yè)界的研究力量，加快推進先進的電網級別的低成本長時儲能技術研發(fā)和部署，以并網消納更多的可再生能源、推進美國電網現(xiàn)代化和有效應對日益增長的電動汽車電力需求。
GLS所在的華盛頓州承諾向GLS研發(fā)中心提供經費，用于先進研究設備和專門儀器采購，以及電池材料性能測試研究。GLS研發(fā)中心預計2025年建成投入運營，中心將設立30個獨立研究實驗室及相應的孵化器，加速新開發(fā)技術或者設備商業(yè)化應用進程。
2.4 設立先進車輛技術研發(fā)項目
2020年7月，美國能源部宣布資助1.39億美元支持先進車輛技術16個研發(fā)項目，重點圍繞交通動力電池、車用輕量化材料、發(fā)動機效率等領域開展，旨在提升汽車能效和電氣化水平，減少交通運輸系統(tǒng)的溫室氣體排放。在交通動力電池方面重點支持基于硅負極鋰電池研發(fā)，開發(fā)全氟化的局域高濃度電解質應用于硅負極鋰電池，設計開發(fā)具備良好兼容性的高機械柔韌性的全固態(tài)電解質，抑制硅負極體積過度膨脹，延長硅負極的電池壽命；對于電動汽車輕量化材料，開發(fā)具備良好結構和電化學穩(wěn)定性的富含硅成分的復合負極材料；在發(fā)動機效率方面，研發(fā)更高性能的鋰離子電池動力系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的內燃機，以及開發(fā)具備超低體積膨脹率的硅基納米復合負極，以提升循環(huán)壽命。
2.5 支持儲能等變革性技術項目
2021年1月，美國能源部宣布支持含儲能在內的變革性能源技術并撥款4700萬美元，資助研究項目主要涉及電池、數(shù)據中心、電網現(xiàn)代化、減排等領域，以加速能源創(chuàng)新技術由實驗室向商業(yè)轉化。電池相關項目有：①資助900萬美元用于電動飛機的下一代鋰金屬電池，以開發(fā)可用于電動飛機的下一代鋰金屬電池及年產能達到1兆瓦時的中試生產線，將商業(yè)模塊化生產線的電池成本降至低于70美元/千瓦時，功率密度超過1.5千瓦/千克，能量密度達到450瓦時/千克；②資助1000萬美元用于電動汽車中加速規(guī)?；捎酶呷萘康墓柝摌O技術，開發(fā)一種硅基復合負極材料，將車用鋰離子電池能量密度提高20%以上，并實現(xiàn)快速充電，探索將上述硅負極應用于可穿戴設備、便攜式電子設備和電動汽車。相關研發(fā)團隊將通過更高效的材料篩選、在線診斷、改進前驅體利用率等提高開發(fā)效率，縮減開發(fā)周期，降低成本，進而降低電動汽車電池成本；③資助800萬美元用于聚合物電解質制造工藝，驗證聚合物電解質的3個關鍵要素(包括大批量、商業(yè)化、高質量的聚合物電解質材料和組件的可制造性，高容量鋰離子電池的安全性)以及電池性能是否達到商業(yè)規(guī)格，以消除商業(yè)化道路上的關鍵技術、制造和市場風險。此外，開發(fā)新制造工藝，將聚合物電解質生產成本降低15%，并爭取獲得超大容量車用固態(tài)鋰離子電池的第三方生產資質。
2.6 國防部高級研究計劃局(DARPA)支持固態(tài)電池技術
2021年6月，國防部先進研究計劃局(DARPA)宣布啟動“形態(tài)形成界面”(MINT)計劃，由于持久的電池動力和耐腐蝕涂層是持續(xù)作戰(zhàn)能力的重要保障，DARPA通過開發(fā)一種新穎、自適應的電化學界面，提升高性能電化學系統(tǒng)的耐用性，提升在開發(fā)高能密度固態(tài)電池和新型耐腐蝕涂層方面的應用潛力。高能密度固態(tài)電池和新型耐腐蝕涂層/合金都依賴于發(fā)生在原子級尺度到毫米級尺度界面的電化學反應，解決固-固離子轉移界面處孔隙數(shù)量及尺寸迅速增加的問題是固態(tài)電池實用化的關鍵；同時，為應對強腐蝕環(huán)境中材料界面形成的納米凹坑并防止擴大化，也面臨維持船體及飛機表面和動力裝置性能的技術挑戰(zhàn)。MINT計劃將從兩個方向展開研究工作：第一個方向是開展固-固電荷轉移界面研究，使固態(tài)電池具有更高的能量密度和循環(huán)壽命；第二個方向是開展高性能耐腐蝕涂層和合金的固-液、固-氣界面研究。
3 企業(yè)加大對電池產業(yè)的投入
目前，美國動力電池供應主要來自松下、LG新能源、SKI等日韓電池企業(yè)在美電池工廠以及從亞洲電池企業(yè)進口，導致美國本土動力電池產業(yè)競爭力較為薄弱。美國能源部能源效率和可再生能源辦公室一份數(shù)據顯示，2010—2020年，5家鋰離子電池制造商生產銷售了幾乎在美國所有插電式電動汽車所需的動力電池。這5家電池制造商分別為松下、LG新能源、遠景AESC、三星SDI和SKI。在過去的11年，上述電池企業(yè)在美國生產了總量接近76 GWh的鋰電池，其中74%(約合56 GWh)來自松下。在美國政府推動下，美國動力電池產業(yè)鏈迅速進入投資擴產的熱潮，正在積極建設本土鋰電池供應鏈以及加強本土鋰電池生產能力和新電池技術開發(fā)水平。
3.1 汽車企業(yè)加大電池產業(yè)的投入
世界最大電動汽車企業(yè)特斯拉正在美國和德國建造電池超級工廠，大規(guī)模量產三元高鎳電池4680型圓柱鋰離子電池，計劃2022年達到每年100 GWh，2030年達到每年3 TWh。特斯拉引領下一代電池技術的4680型圓柱鋰離子電池技術兼具安全性高和成本低的雙重優(yōu)勢，其電池能量密度是現(xiàn)有電池的5倍，續(xù)航里程提高16%，成本降低約14%。此外特斯拉收購了加拿大電池生產設備Hibar Systems公司，垂直整合拓展產業(yè)鏈，以便更大規(guī)模地推進4680型圓柱鋰離子電池的生產。
世界第一大汽車巨頭豐田汽車計劃在2030年之前向美國電池領域投資34億美元，其中投資12.9億美元建立其在美國的第一家電池廠(豐田北卡電池制造廠)，計劃于2025年投產，預計每年可配套120萬輛汽車，將在美國創(chuàng)造1750個新工作崗位。
在美國政府對支持電動汽車態(tài)度明晰后，美國本土車企也開始發(fā)力，包括通用、福特等美國主流車企紛紛加快其電動化的布局。通用汽車正在加大投資鋰電制造業(yè)，與韓國電池企業(yè)LG新能源合作計劃在美國建立第4家電池廠(前3個共建電池廠分別位于俄亥俄州、田納西州和密歇根州)，電池生產能力提高到160 GWh，滿足通用汽車在北美市場對電池的所有需求。福特與韓國電池SKI深度合作，計劃分別投資44.5億美元，在美國新建3家電池工廠，于2025年開始投產。SKI表示，這將是美國最大的工廠，其訂單儲備產能為1600 GWh，足以滿足2700萬輛汽車的需求。
3.2 一批電池初創(chuàng)公司發(fā)展勢頭良好
在美國電池政策的推動以及在汽車產業(yè)的投入加大趨勢下，美國電池初創(chuàng)公司加大固態(tài)鋰電池等方面的研發(fā)布局，加快產業(yè)化進程，展現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭。以下對美國電池主要的初創(chuàng)公司進行簡要的介紹。
美國固態(tài)電池初創(chuàng)公司Factorial Energy致力于研發(fā)固態(tài)電池技術，該技術通過高壓和高能量密度的電極實現(xiàn)安全可靠的電池性能，可將續(xù)航里程增加20%～50%，且成本也比傳統(tǒng)的三元鋰電池有競爭力，得到了現(xiàn)代、奔馳和Stellantis等汽車企業(yè)的支持，獲得2億美元D輪融資，加速其固態(tài)電池的商業(yè)化生產。
美國固態(tài)電池制造商Quantum Scape也是固態(tài)電池商業(yè)化量產方面強有力的競爭者。在高效的固態(tài)電池方面，該公司通過使用陶瓷隔膜，成功測試了單層原型電池。此外，在實施新的試驗線方面取得了長足的進步，已經開始測試其多層固態(tài)電池并推出10層疊片固態(tài)電池，該公司得到了大眾汽車2億美元的投資。
美國固態(tài)電池初創(chuàng)公司Solid Power，獲得了豐田和寶馬的投資，該公司技術路線為硫化物固態(tài)電解質技術，可能在2022年向寶馬和福特提供試驗車的固態(tài)電池。Solid Power先進的陰極配方有可能將陰極活性材料的成本降低90%以上，同時滿足對高能量密度、高功率密度、長壽命及安靜運行等需求。韓國電池制造商SKI近期也向Solid Power投資，計劃合作生產固態(tài)電池，期望在2026年實現(xiàn)商業(yè)化。
美國Solid Energy System (SES)在下一代電池開發(fā)方面，得到了韓國LG科技投資公司以及通用汽車、現(xiàn)代、本田等汽車企業(yè)的支持，公司開發(fā)的混合鋰金屬電池提升電池能量密度及減少重量，正處于前期產業(yè)化階段，目前在原型演示和專業(yè)航空航天領域已小規(guī)模試制，預計2025年實現(xiàn)裝車量產。
美國電動汽車電池初創(chuàng)公司Our Next Energy，專注于使用更安全、更可持續(xù)的材料開發(fā)先進的長程電池。該公司研究雙電池模式技術，正極不用鈷和鎳，第二組高性能電池組能夠為第一組充電，新技術可使電動汽車的續(xù)航里程增加一倍，并已在特斯拉Model S車型進行了道路測試，計劃到2023年底開始量產電池組。該企業(yè)獲得了德國車廠BMW和比爾?蓋茨突破能源基金等注資，資金將用于電池軟件、人工智能和機器學習等的研發(fā)。
除了固態(tài)鋰離子電池，在鈉離子電池領域，美國初創(chuàng)公司也在穩(wěn)步發(fā)展布局。位于加州的初創(chuàng)公司Natron Energy開發(fā)了一種使用普魯士藍改性材料模擬電極和鈉離子電解質的電池。目前雖然產品還處于小批量商業(yè)生產階段，但是已獲得ABB、雪佛龍的投資扶持，同時美國能源部和美國能源高級研究計劃署也對該公司進行了投資。
3.3 加大電池供應鏈材料的投資
美國企業(yè)不僅在電池產業(yè)加大投入，對電池初創(chuàng)公司進行扶持，也在加大對電池供應鏈材料的投資，包括通過與原材料生產商建立新的合作伙伴關系以及加大投資生產電池原材料等措施，試圖在北美建立更穩(wěn)固更全面的先進電池供應鏈。
位于加利福尼亞索爾頓海域的通用汽車聯(lián)合CTR公司(可控熱能開發(fā)公司)，建設了地熱鹵水提取鋰項目，從地下2400米深處的水庫抽取超高溫富鋰鹵水提取鋰，該技術排放的二氧化碳比澳大利亞的鋰礦少15倍。該項目計劃提取6000噸鋰，以供應600萬輛電動汽車的制造需求，該項目也將讓通用成為美國最大的鋰電池生產商。此外，通用汽車宣布與韓國浦項化學(Posco Chemical)簽署了一份非約束性條款，共同建立合資企業(yè)，并在北美地區(qū)為其與LG化學合資的電池制造企業(yè)加工正極活性材料(CAM)等關鍵材料。通用汽車的一系列舉措旨在建立一個完善且穩(wěn)定的、可持續(xù)的、有彈性的北美電動汽車電池供應鏈，涵蓋從原材料提取到電池回收的整個生產環(huán)節(jié)，以形成生態(tài)閉環(huán)。
特斯拉在2021年收購了擁有環(huán)保負極材料生產技術的加拿大Spring Power和擁有硅負極材料生產技術的美國鋰離子電池初創(chuàng)公司SilLion，硅負極材料技術將助力特斯拉加快生產更便宜、續(xù)航里程更長的4680型圓柱鋰離子電池。
美國第四大煉油商Phillips 66(PSX.US)宣布，以1.5億美元的價格收購澳大利亞布里斯班電池材料和Novonix Ltd.技術公司16%的股份，以鞏固Novonix在美國電池負極材料石墨生產領域的地位，并為美國電池供應鏈的發(fā)展提供支持。
美國雅保Albemarle Corporation作為全球最大的碳酸鋰生產企業(yè)之一，2021年宣布全資收購廣西天源新能源材料有限公司。此次收購將擴大其鋰生產能力，目前正處于試運行階段，公司設計年轉化能力高達兩萬五千噸，預計將在2022年上半年開始進行商業(yè)生產。此外，Albemarle Corporation宣布與美國專業(yè)3D打印材料開發(fā)商6K簽署了一項聯(lián)合開發(fā)協(xié)議，主要用于生產新型鋰離子電池材料。這項合作將由6K的UniMelt微波等離子體系統(tǒng)專利技術來實現(xiàn)，這是一個用于生產工業(yè)級粉末的可持續(xù)材料生產平臺，預期可減少70%的二氧化碳排放，減少90%的水消耗，完全消除廢水的產生，同時減少50%的廠房空間。
美國加州新一代電池材料初創(chuàng)公司Sila Nano獲得了5.9億美元的F輪融資，該融資用于支持其在北美建設硅基負極材料生產基地。硅基負極材料被用于新一代電池生產，具有使用周期長、膨脹率超低、能量密度高的特點，這些材料可以將鋰電池能量密度提高20%，甚至有望提高40%。當前，該公司正在與寶馬、ATL等企業(yè)合作研發(fā)下一代電池，計劃在2024年實現(xiàn)量產其硅基負極材料。
北美最大的鋰離子電池回收公司Redwood致力于發(fā)明和推廣從鋰離子電池中回收和利用材料技術，該公司宣布了新的數(shù)億美元投資計劃，以擴大其電池回收生產線，包括在內華達州新建正極材料工廠。到2025年底，Redwood新工廠的正極材料年產能將達到100 GWh，足夠約130萬輛長途汽車使用，2030年，該工廠的年產能將增加至500 GWh[40]。
4 對我國的啟示和建議
為了推動美國先進電池技術和產業(yè)的發(fā)展，美國政府加強了電池產業(yè)鏈的頂層設計，包括評估產業(yè)鏈現(xiàn)狀、制定先進電池長期發(fā)展規(guī)劃、發(fā)布電池技術路線圖和相關產業(yè)扶持政策。同時，美國政府加強對先進電池技術的支持力度，通過整合國家實驗室、大學和私營企業(yè)的研究力量以及研發(fā)平臺的建設，設立研發(fā)項目和專項，提升美國在先進電池技術領域的技術競爭力。美國政府系列扶持舉措推動了美國汽車企業(yè)加大對電池產業(yè)的投入，推動了先進電池企業(yè)、電池材料及原材料產業(yè)的發(fā)展，保障了其國內電池供應鏈安全。
隨著美國政府扶持先進電池技術領域政策實施和產業(yè)投資的見效，美國先進電池產業(yè)將實現(xiàn)快速的增長，對我國電池產業(yè)的發(fā)展將產生影響和帶來競爭，我國應予以高度關注和重視。進一步明確應對全球競爭新形勢下我國電池技術和產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略目標及發(fā)展路徑，對電池材料、電池制造、電池應用、回收利用等整個產業(yè)鏈進行系統(tǒng)部署，加強電池研發(fā)的基礎設施和創(chuàng)新平臺的建設。加強電池技術領域基礎研究、關鍵技術和應用示范全鏈條的整體布局，加強高效、低成本、長壽命、智能化電池材料及電池系統(tǒng)技術開發(fā)，重視固態(tài)鋰電池、鈉離子電池等新興和下一代電池技術發(fā)展，進一步提升現(xiàn)有電池體系的性能并降低成本。為電池產業(yè)長期發(fā)展和保持競爭優(yōu)勢構建穩(wěn)定的政策環(huán)境，通過完善配套基礎設施，建設相關市場機制，推動先進電池產業(yè)化，提升電池產業(yè)數(shù)字化和智能化水平，鼓勵電動汽車企業(yè)和電池生產企業(yè)的協(xié)同合作，推動科技型中小企業(yè)加強電池技術的創(chuàng)新。在“雙碳”目標背景下，重視電池制造、使用和回收生命全周期的碳減排技術，支持電池產業(yè)可持續(xù)發(fā)展和支撐我國雙碳目標的實現(xiàn)，鞏固我國電池產業(yè)世界領導地位。
