執(zhí)行摘要
盡管面臨危機(jī)，鋰離子電池 (LIB) 市場仍持續(xù)跨境擴(kuò)張。2023 年，銷量可能首次突破 1 TWh 大關(guān)。到 2030 年，需求預(yù)計(jì)將增長兩倍以上，達(dá)到 3 TWh 以上。近年來的高增長率將持續(xù)下去。
需求和生產(chǎn)從吉瓦時(shí)向太瓦時(shí)的轉(zhuǎn)變對行業(yè)產(chǎn)生了許多影響，而且對技術(shù)開發(fā)和電池要求也產(chǎn)生了許多影響。例如，最近的監(jiān)管要求強(qiáng)制要求電池的可持續(xù)性。鋰離子電池在電動汽車中的大量使用推動了電池的可持續(xù)發(fā)展。至少在小型車輛和大眾細(xì)分市場中，電池價(jià)格問題受到關(guān)注，能量密度和續(xù)航里程等更多技術(shù)因素則成為背景。隨著市場持續(xù)增長，生產(chǎn)本地化問題以及利益相關(guān)者和國家將面臨的價(jià)值創(chuàng)造份額問題在未來將變得更加重要。
這項(xiàng)研究 “鋰電池路線圖 - 面向 2030 年的工業(yè)化前景” 試圖通過關(guān)注行業(yè)的規(guī)模化活動來考慮鋰離子電池作為一項(xiàng)既定技術(shù)的地位，同時(shí)仍然考慮從材料到最終處理的眾多技術(shù)挑戰(zhàn)。結(jié)果是到 2030 年對該行業(yè)進(jìn)行了量化，并對材料、電池、生產(chǎn)、系統(tǒng)和回收領(lǐng)域的方法進(jìn)行了評估，不僅根據(jù)其性能，還根據(jù)其對三個(gè)關(guān)鍵趨勢的重要性：生產(chǎn)性能優(yōu)化的電池、生產(chǎn)特別低成本的電池以及生產(chǎn)特別可持續(xù)的電池。
LIB目標(biāo)體系及產(chǎn)業(yè)化實(shí)施
性能優(yōu)化電池有雄心勃勃的發(fā)展目標(biāo)。未來幾年，目標(biāo)是顯著提高能量密度和快速充電能力的參數(shù)。在行業(yè)路線圖中，超過 800 Wh/kg 和超過 350 Wh/kg 的目標(biāo)并不罕見。對于一些旗艦車型，充電速度將加快至4C，從而達(dá)到10至20分鐘的范圍。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，行業(yè)轉(zhuǎn)向高鎳陰極、硅陽極和新的電池和電池模組設(shè)計(jì)，以改變空間要求、熱耦合和安全特性。這些目標(biāo)聽起來令人印象深刻，技術(shù)方法也非常有前途。然而，越來越多的人問這樣的“最佳”方法是否適合大規(guī)模生產(chǎn)，以及它們是否與降低電池成本的第二個(gè)主要甚至可能更重要的發(fā)展目標(biāo)兼容。電池組的成本目標(biāo)水平仍遠(yuǎn)低于 100 歐元/kWh。與當(dāng)今的成本相比，這可能意味著減少 30% 至 50%。該行業(yè)的目標(biāo)是通過使用無鈷和無鎳材料、標(biāo)準(zhǔn)化電芯并將其直接集成到電池組中來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。新的制造工藝還可以通過利用能源和設(shè)備成本以及工廠本身的標(biāo)準(zhǔn)化來降低成本。成本還表明，技術(shù)不一定與位置無關(guān)。實(shí)現(xiàn)最低的電池成本可能與將工廠選址在最有利的生產(chǎn)位置。
非常類似的考慮因素適用于歐盟電池指令等要求的可持續(xù)電池的生產(chǎn)，而且越來越多的汽車制造商也提出了這一要求。具體來說，可持續(xù)性會影響許多因素，從原材料提取到生產(chǎn)和使用場景。未來幾年，工業(yè)發(fā)展可能會集中在電池技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)上，其中一些技術(shù)甚至將可持續(xù)性結(jié)合起來，例如低二氧化碳、低足跡和低成本。包括鐵基和錳基陰極、水基或干法電極加工，以及在電池壽命結(jié)束時(shí)利用回收來回收材料。生產(chǎn)地點(diǎn)在可持續(xù)性方面也發(fā)揮著重要作用，受到諸如可用的能源結(jié)構(gòu)以及與上游和下游生產(chǎn)基地的距離。
研究中討論的三個(gè)關(guān)鍵趨勢和目標(biāo)系統(tǒng)部分是矛盾的。高性能有時(shí)是昂貴的，并且受到技術(shù)上可行的限制。低環(huán)境足跡的高度優(yōu)先可能會限制某些技術(shù)的使用，并且還必須在設(shè)計(jì)階段考慮到報(bào)廢處理。雖然有一些折衷技術(shù)結(jié)合了其中幾個(gè)目標(biāo)，但該行業(yè)當(dāng)前的趨勢似乎更多地朝著多元化和生產(chǎn)具有清晰曲線和用例的電池的方向發(fā)展。
針對特定應(yīng)用需求定制電池的開發(fā)與擴(kuò)大生產(chǎn)密切相關(guān)。近年來，電池生產(chǎn)受到高度關(guān)注。計(jì)劃到 2028 年建成超過 10 TWh 的年產(chǎn)能。甚至 如果調(diào)整這一數(shù)字以考慮實(shí)施的可能性和典型的延遲，到 2028 年仍可提供高達(dá) 5 TWh 的電池產(chǎn)能。
從上游價(jià)值鏈來看，這個(gè)數(shù)字顯然很高，反映出一種淘金熱。這里已經(jīng)宣布了規(guī)?；?xiàng)目，到2028年將能夠生產(chǎn)約3TWh的陽極和陰極活性材料，這距離更接近應(yīng)用市場的電池需求為2至3.5 TWh的預(yù)計(jì)。這些數(shù)字表明，未來幾年可能會整合電池生產(chǎn)項(xiàng)目。與此同時(shí)，隨著與汽車原始設(shè)備制造商的合資企業(yè)越來越多地進(jìn)入價(jià)值鏈的這一環(huán)節(jié)，材料生產(chǎn)可能很快就會得到更多關(guān)注。
電池回收能力將如何發(fā)展仍不清楚。到2030年，生產(chǎn)廢物的回收利用將在行業(yè)中發(fā)揮重要作用。目前尚不清楚規(guī)模與隨后出現(xiàn)的壽命終結(jié)的電池間的作用關(guān)系。
歐洲走上自給自足之路？
在歐洲，供需仍然存在較大不平衡。由于電動汽車產(chǎn)量增加，預(yù)計(jì)到 2028 年后者將達(dá)到 550 GWh 左右。這與宣布計(jì)劃建設(shè) 1.7 TWh 或 1.7 TWh 的電芯產(chǎn)能形成鮮明對比。在對實(shí)施的可能性和延遲進(jìn)行調(diào)整后，更現(xiàn)實(shí)的情況是大約 1 TWh。因此，歐洲的這些數(shù)字證實(shí)了高度關(guān)注電芯生產(chǎn)項(xiàng)目和投資的全球趨勢。將全球 30% 的電芯生產(chǎn)集中在歐洲的目標(biāo)是可以實(shí)現(xiàn)的。
然而，歐洲負(fù)極材料生產(chǎn)可能仍然疲軟，將不得不依賴進(jìn)口。計(jì)劃到2028年建設(shè)約200 GWh的產(chǎn)能，主要是石墨。預(yù)計(jì)正極材料的產(chǎn)能范圍從 400 到 600 GWh 以上，大致符合電池的預(yù)計(jì)需求。
因此，乍一看，歐洲似乎在本研究中探討的從材料到電池系統(tǒng)的價(jià)值創(chuàng)造步驟中正在實(shí)現(xiàn)自給自足。然而，差距仍然存在，而不僅僅是在陽極材料方面，比如在被動電池組件或者磷酸鐵鋰的關(guān)鍵技術(shù)上，這對于低成本電池來說極其重要。到目前為止，關(guān)于該材料產(chǎn)能擴(kuò)張的消息還沒有實(shí)質(zhì)性的公告，也不清楚具體是哪些材料。制造商打算在電池生產(chǎn)中采用該技術(shù)。同樣，還沒有材料制造商致力于建設(shè)大量硅材料產(chǎn)能，硅材料被認(rèn)為是下一代鋰離子電池技術(shù)。
為了填補(bǔ)這些空白并創(chuàng)建一個(gè)有競爭力、自給自足和可持續(xù)的歐洲電池生態(tài)系統(tǒng)，仍然需要克服許多挑戰(zhàn)。其中包括投資和投資條件、能源成本、合格工人的培訓(xùn)以及創(chuàng)造持續(xù)的本地價(jià)值、簡化官僚程序、減少耗時(shí)的程序，以及改善政府補(bǔ)貼和融資機(jī)制，有助于吸引更多的工業(yè)參與者，并確保與非歐洲國家的公平競爭環(huán)境。
圖1：正在考慮的三個(gè) LIB 目標(biāo)系統(tǒng)的示意圖：
(1) 性能優(yōu)化、(2) 成本優(yōu)化 和 (3) 生態(tài)優(yōu)化和可用技術(shù)。
圖2：BMBF 資助的 ISI 電池路線圖研究重點(diǎn)的進(jìn)展與行業(yè)規(guī)模擴(kuò)大的進(jìn)展并行。
圖3：電化學(xué)儲能裝置的跨國專利申請（電池，IPCH01M)
圖4：申請數(shù)量和動態(tài)最高的 IPC H01M 子領(lǐng)域（2021 年與 2016 年）。
圖5：當(dāng)前和未來BEV功能的路線圖，包括以公里為單位的電動續(xù)航里程 (WLTP)、以 Wh/l 為單位的能量密度以及以 Wh/kg 為單位的比能量【9,17,20,24-27】。
圖6：范圍要求和快速充電功能的路線圖。充電范圍（10 分鐘，SOC 10-80%）和 C 速率之間的區(qū)別 【20, 30-32】。
圖7：OEM 的標(biāo)準(zhǔn)化和可能的采購策略以及由此產(chǎn)生的一種類型電芯的需求場景 【51, 61】。
圖8：未來電芯或電池模組級成本路線圖（2020 歐元/kWh）?！?7, 63-65】
圖9：歐盟電池法規(guī)及其子領(lǐng)域的實(shí)施路線圖【70】
圖10：影響歐洲電池技術(shù)主權(quán)的法規(guī)
