鉅大LARGE | 點擊量：701次 | 2022年07月18日
鋰電池的演變：從電動汽車到電網
鋰電池及其變種是當今最常用的電池，它在所有應用的電池類型中占有40%的份額，而且由于電動汽車和消費電子產品使用量的新增，這個數字有望得到進一步上升。
最近的技術進步和市場趨勢
由于鋰電池在移動電子產品、消費類電子產品、海洋和行業領域特殊應用的重要性日益新增，行業廠商正在對這項技術進行大量的研究。以下是鋰電池技術的一些最新進展和趨勢，預計將對電池市場出現重大影響：
固態鋰電池
固態鋰電池是當今儲能行業最活躍討論的話題之一。它是鋰電池技術的一個變種，使用固體電解質代替液體/聚合物電解質。和傳統鋰電池相比，固態鋰電池具有一些關鍵優勢。這其中包括非常高的能量密度，緊湊的電池尺寸，以及快速充電的可能性，而沒有形成電池枝晶的風險。鋰電池的這些優點使得該技術有關汽車行業而言有利可圖，而汽車行業正在尋找能夠承受極高充電率的電池，從而縮短電動汽車的充電時間，并減少汽車的空間需求。這就是一些重要汽車制造商使用這些電池的原因。寶馬公司正在考慮將固態鋰電池用于他們的新車型，豐田公司計劃到2022年生產采用固態鋰電池的汽車。展望未來，這些鋰電池將廣泛應用在電動汽車中。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
非銅陽極
另一個最新進展是電池的非銅陽極。自20世紀90年代以來，重要是石墨涂層的銅被用作鋰電池的陽極。兩種類型陽極有可能替代銅陽極。
鈦酸鋰（LTO）陽極：鈦酸鋰（LTO）陽極具有更高的功率密度，并且可以供應比銅更多的充電/放電循環次數。這些陽極在較低電壓下工作，并供應更低的能量密度。這使它們成為空間受限較小但要高充電/放電率的應用的理想選擇。一個例子可能是應用在要高功率密度（頻率調節、可再生集成）的電網中，可以將多塊電池在系統中組合，而不會受到空間的嚴格限制。最近，東芝公司公布了其50Ah這種類型電池的原型。該公司聲稱它將在5000次循環充放電后可以保留90％的產量。
硅陽極：正在研究的另一種類型是涂有石墨的硅陽極。這種陽極技術具有高能量密度和額定功率的潛力，同時有望降低成本。三星SDI公司和松下公司已經在使用這項技術。然而，這項技術仍處于早期階段，要比鈦酸鋰（LTO）陽極更長的上市時間。
NMC-811陰極主導鋰電池市場
鎳錳鈷（NMC）陰極將越來越多地取代鋰鐵磷酸鹽（LFP）和鋰鈷氧化物（LCO）陰極。到目前為止，使用這種混合陰極材料是源于對鈷的更高需求。然而，NMC-811（8份鎳、1份錳、1份鈷）電池對鈷的依賴性降低，為制造商供應了強大的優勢。許多公司現在正在向NMC-811電池轉型。例如，LGChem公司和SKInnovation公司正在提高其NMC-811電池的生產量力，而TSLA公司已經在其TeslaPowerwall中使用這種陰極技術。
納米材料（石墨烯）的使用
石墨烯是一種納米材料，正在越來越多地研究用于電池。石墨烯的一些優良的性質（如硬度、柔韌性和極高的導熱性和導電性）使其適用于電池。最近，三星SDI公司在其"石墨烯球技術"方面取得了突破，其中陽極和陰極均覆蓋有石墨烯包覆二氧化硅的保護層。三星SDI公司聲稱，使用這項技術可將電池容量提高約45％，同時將充電時間縮短5倍。日本豐橋技術科學大學推出了磷封裝納米管電極。聲稱它們在實驗期間具有加倍的充電容量，并且電池在重復充電后保持高結構完整性。
定制單元和模塊
最近出現的一個新興市場是設計和制造用于特殊應用的定制鋰電池和模塊。用于移動電子產品和消費電子產品的鋰電池只是市場的一部分。而在機器人、船舶、等行業領域有著各種各樣的應用，采用標準鋰電池不能滿足要求。像Customcells和Cell-con這樣的電池制造商正專注于這個不斷上升的利基市場，并和客戶合作生產從原型到制造階段的特定應用的電池模塊。
原材料供應
電池制造商面對的另一個限制因素是原材料采購。鋰電池中使用的重要原料是鋰、鈷、石墨、鎳和鋁。其中，鋰和鈷被認為是稀缺的。但這種擔心真的有必要嗎？
鈷：幾乎所有鈷都是作為其他儲藏更豐富的金屬（如鎳或銅）副產品開采的。這意味著其生產重要由重要金屬的市場驅動，而不是對鈷的需求。這種情況限制了生產商根據需求變化調整開采鈷的靈活性，并可能導致供應過剩或短缺。從2009年到2015年，全球鈷產量高于消費量，因為新項目的生產以及從擴張到現有業務的生產都新增了全球供應。然而，隨著電池需求的新增，市場供應受到限制，到2016年中期，情況發生了變化。而在2018年這種情況并沒有改變。行業觀察家預測，這將持續到2020年。
剛果民主共和國（DRC）是全球重要的鈷產地。根據歐盟或美國的調查，該國擁有51%-53％的供應量。其次是我國、俄羅斯、加拿大和澳大利亞，各占5-6%。
自2016年中期以來，金屬鈷的價格一路飆升，達到每噸8萬多美元。回顧一下，這類似2008年的發展，當時剛果民主共和國暫停出口金屬鈷，其價格上漲至11.5萬美元/噸，然后在取消禁令之后，鈷的價格繼續推高。其最新的例子是2018年一月出口稅從2％上調至10％。然而，有關許多電動汽車來說，鈷的價格正在降低。這可以證實，因為我國是電動汽車應用鋰鈷氧化物（LCO）電池的重要用戶，現在正在轉向采有由錳酸鋰LMO、鎳鈷鋁（NCA）和鎳猛鈷(NMC)組成的三元電池。在鎳猛鈷(NMC)電池中，NMC-811混合電池出現的二氧化碳比NMC-622混合電池少50%，在過去六個月內，LGChem公司和NKInnovation公司建立了新的生產線，使其成為主流產品。
鋰：在最近的各種調查中，鋰被列為臨界或近臨界元素之一。1975年至2005年期間，世界鋰產量上升了約5倍，預計供應基礎將進一步上升。雖然鋰重要產于澳大利亞，但鋰三角區（阿根廷、智利、玻利維亞）擁有世界上75％的鋰資源。
鋰元素并不稀有，全球鋰資源估計超過3900萬噸，這足以滿足到2100年的預期需求。此外，為了滿足日益上升的鋰需求，人們正在進行各種各樣的嘗試，例如從廢舊電池中回收鋰，用鈉代替鋰來生產鈉離子電池。在世界大部分地區，鈉比鋰容易獲得。
廢舊電池回收
值得一提的一個重要趨勢是，人們越來越關注廢舊電池的回收利用。電動汽車快速發展將出現大量的可以回收利用的廢舊電池。據估計，到2030年，全球將有1100萬噸鋰電池可回收利用。歐盟已經出臺了一些法規，要求電池制造商為收集、處理和回收電池的成本供應資金，從而將電池回收作為一個優先事項。到目前為止，歐盟只有5%的電池被回收利用。回收電池有多種利用方式。在某些情況下，對包括鈷和鎳在內的稀有金屬進行熱處理，并對鋰金屬進行進一步加工。在其他情況下，電池在使用之后再進行翻新/再造，以便在另一個應用中重復使用。例如，根據電動汽車行業的數據，汽車上的廢舊電池仍然是原有容量的80%左右。這些電池可直接用于家庭儲能系統或不間斷電源的其他應用中，其處理量更小。日產公司已經和伊頓集團合作，將其汽車電池重新用于家庭儲能應用。
誰在主導研發？
電池市場研發支出的重要部分（約90％）由移動通信部門推動，并正在向電動汽車行業轉變。作為一個快速發展的行業，其使用周期為四到五年，汽車廠商通常傾向于使用最新和最好的電池產品，重點是降低成本。在這種情況下，由于大多數電池是由電池生產廠商制造的，因此這些電池生產廠商在研發上花費大量資金進一步開發和改進技術。通過和這些電池制造商合作，其他終端應用也可以利用這些技術進步。
例如，電網行業可以利用汽車行業的進步，或者正如以上所述，電池的應用從電動汽車轉到電網。在電網行業廠商要和電動汽車廠商開展更多合作，以便充分利用電池技術。特別是隨著電動汽車的新增，電網和汽車行業之間的重疊性正在新增。基于電動汽車到電網的解決方法的試點項目部署越來越多，其重點關注頻率調節和調峰等應用。例如加利福尼亞州的OxygenInitiative公司和荷蘭的Tennet-Vandebron公司達成的合作伙伴關系。
下表比較了電網和汽車行業的電池需求。幾乎在所有情況下，汽車行業比電網更嚴格的要求。這表明同樣的電池技術也可以用于電網領域，從而防止從零開始投入大量的研發成本。
電網和汽車行業的電池需求比較
在某些情況下，這種合作已經進行。例如，TSLA公司的電動汽車為其Powerwall儲能系統供應電池。未來可能會有更多的汽車原始設備制造商供應類似的解決方法，或和電網廠商合作，為替代市場供應解決方法。人們相信，最終的市場贏家將是那些擁有更多合作關系的公司，而不僅僅是那些擁有最好技術的公司。
電池市場的供應
盡管對電池的需求不斷新增，但電池單元制造能力的利用率相對較低。在全球范圍內，電池生產廠的利用率為60-70％。隨著電動汽車和電網儲能需求的新增，這一點在未來有望得到改善。然而，考慮多個大規模電池生產廠開通運營，預計最大利用率將保持在80％以下，如下圖所示。
供應商市場份額
從供應角度來看，亞洲制造商占據主導地位，LGChem（韓國）、松下（日本）、三星SDI（韓國）、AESC（日本）、比亞迪（我國）和CATL（我國）占有約三分之二的市場份額。然而，為了減少對亞洲電池制造商的依賴，越來越多的公司尋求在歐洲獲得電池產品。德國BMZ集團和瑞典Northvolt等公司正在建立新的或擴大現有的制造設施，以滿足歐洲鋰離子儲能解決方法不斷上升的需求。下圖顯示了2017年各個生產制造商的市場份額：
2017年全球電池生產廠商的市場份額
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