《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 模擬設(shè)計(jì) > 業(yè)界動態(tài) > 除了電動汽車 鋰電池還將如何改變能源現(xiàn)狀?

除了電動汽車 鋰電池還將如何改變能源現(xiàn)狀?

2017-08-14
關(guān)鍵詞: 電動汽車 鋰電池組 鋰電池

  最新一期《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志印刷版撰文稱,鋰電池不僅能夠引發(fā)電動汽車革命,甚至可以滲透到我們的日常生活,徹底改變當(dāng)今能源現(xiàn)狀。

  以下為原文內(nèi)容:

  沿著日產(chǎn)桑德蘭工廠的一條蛇形生產(chǎn)線走過大約四分之三,一位工人正一刻不停地在無數(shù)的逍客底盤上安裝油箱——該工廠生產(chǎn)的多數(shù)汽車都是這款SUV。但這條生產(chǎn)線上還會時(shí)不時(shí)地經(jīng)過另外一款車:一款名叫Leaf的電動車。

  每到此時(shí),工人的任務(wù)就會從安裝油箱變成安裝電池。他的動作與身旁的機(jī)械手臂完美配合,在燃油汽車和電動汽車之間無縫切換。

  直到最近,很多人還認(rèn)為這種切換不可思議。過去一個(gè)世紀(jì),內(nèi)燃機(jī)一直都是汽車和輪船的主要?jiǎng)恿?。這確實(shí)給了它很大的領(lǐng)先優(yōu)勢。盡管Leaf號稱全球最暢銷的電動汽車,但身為英國最大汽車工廠的桑德蘭工廠,去年也只生產(chǎn)了1.75萬輛Leaf,而同年的逍客產(chǎn)量卻高達(dá)31萬輛。形成鮮明對比的是,逍客處于盈利狀態(tài),而Leaf卻輛輛虧損。

  去年全球電動汽車銷量為75萬輛,不到新車市場的1%。雷諾-日產(chǎn)聯(lián)盟的老板卡洛斯˙戈恩(CarlosGhosn)曾在2011年表示,僅這兩家公司到2016年的電動車產(chǎn)量就將達(dá)到這一數(shù)字的兩倍。事后看來,這番預(yù)測顯然過于樂觀,但類似的預(yù)測其實(shí)并不罕見。

  然而,盡管電動汽車的起飛時(shí)機(jī)無法確定,但這種技術(shù)很快就會成為一門大生意卻已成為普遍共識。

  續(xù)航里程接近滿箱汽油的平民電動汽車(例如特斯拉的Model3和通用汽車的雪佛蘭Bolt)最近紛紛上市,改版Leaf也將在9月發(fā)布。桑德蘭工廠的現(xiàn)狀表明,燃油車和電動車已經(jīng)可以共用一條生產(chǎn)線,從而通過擴(kuò)大產(chǎn)能來簡化這種汽車的普及難度。

  鋰電池大躍進(jìn)

  很多預(yù)測認(rèn)為,擁有和駕駛電動汽車的終身成本幾年內(nèi)就可以與燃油車相提并論,從而促使電動汽車銷量在2020年代大幅飆升,并在2030年代成為主流。中國大約貢獻(xiàn)了去年全球電動汽車銷量的一半,預(yù)計(jì)2020年有200萬輛電動和插電混合汽車上路行駛,10年內(nèi)達(dá)到700萬輛。

  咨詢公司彭博新能源金融(BloombergNewEnergyFinance)指出,石油公司對電動汽車的預(yù)期也較幾年前高出很多。石油輸出國組織(OPEC)現(xiàn)在預(yù)計(jì),2040年上路行駛的電動汽車將達(dá)到2.66億輛。英國和法國也都表示,到那時(shí)將禁售純?nèi)加推嚒?/p>

  這都?xì)w功于鋰電池業(yè)務(wù)的顯著擴(kuò)張,以及人們對該行業(yè)今后仍將快速發(fā)展的普遍共識。第一批鋰電池26年前開始上市銷售,最初用在索尼的CCD-TR1攝像機(jī)上。那款產(chǎn)品廣受歡迎,而它所使用的電池更是如此,隨后逐步應(yīng)用于電腦、手機(jī)、無繩設(shè)備、電子香煙等產(chǎn)品。

  使用電池的電子產(chǎn)品越多,鋰電池的需求也就越大。去年,消費(fèi)產(chǎn)品貢獻(xiàn)的鋰電池產(chǎn)量約為45GWh。通俗一點(diǎn)說,如果把所有電池都用來為英國供電(該國的平均功耗為34GW),大約可以續(xù)航1小時(shí)20分。

  同一年,電動車使用的鋰電池產(chǎn)量就達(dá)到了電子產(chǎn)品一半:25GWh。但電池咨詢公司CairnERA的山姆˙杰夫(SamJaffe)預(yù)計(jì),汽車電池需求最早將在明年超過消費(fèi)電子,從而成為整個(gè)行業(yè)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。大幅擴(kuò)張已經(jīng)開始。

  作為當(dāng)今全球的5大鋰電池制造商,日本的松下、韓國的LG化學(xué)和三星SDI、中國的比亞迪和寧德時(shí)代,都在加大資本支出,并預(yù)計(jì)2020年的產(chǎn)量將達(dá)到目前的3倍。據(jù)估計(jì),特斯拉斥資50億美元在內(nèi)華達(dá)州與松下合作建設(shè)的超級工廠已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)每年約4GWh的產(chǎn)量。特斯拉表示,該公司將在2018年實(shí)現(xiàn)35GWh的產(chǎn)能。短短4年前,這一產(chǎn)量還足夠全世界所有的鋰電產(chǎn)品使用。

  超級工廠不只是為了電動汽車建造。在聽說南澳大利亞進(jìn)行電力管制的消息后,特斯拉創(chuàng)始人伊隆?馬斯克(ElonMusk)今年3月對該國總理表示,特斯拉到年底可以提供足夠的電池容量,確保電網(wǎng)永遠(yuǎn)不再癱瘓。

  在超級工廠里面,他們目前正在努力塞進(jìn)129MWh的產(chǎn)能,以便履行老板的諾言。當(dāng)在太平洋彼岸安裝時(shí),它將成為全世界基于電網(wǎng)的同類系統(tǒng)中最大的一個(gè)。但今后還有很多類似的系統(tǒng)將會部署。

  隨著電網(wǎng)運(yùn)營商在尋找各種方式來平滑太陽能和風(fēng)能的間歇性供給造成的影響,工業(yè)規(guī)模的鋰電池組越來越受歡迎——尤其是把很多用在汽車上的電池組拼接起來,對其化學(xué)和電子元件進(jìn)行調(diào)整,以便支持更快的充放電速度。

  希望獨(dú)立于電網(wǎng)的消費(fèi)者可以購買更小的電池組——或者將自己生產(chǎn)的電力存儲起來,以便在白天或夜間電價(jià)最高時(shí)賣給電網(wǎng)。電池已經(jīng)成為未來真正實(shí)現(xiàn)低排放愿景所不可或缺的一部分。

  全球產(chǎn)能飆升

  鋰電池的基本原理很容易理解。當(dāng)電池給一個(gè)電位充電時(shí),就會把鋰離子拉入石墨電極深處。使用的過程中,這些鋰離子又會通過液體電解質(zhì)返回由鋰和其他金屬組成的化合物制成的更復(fù)雜的電極——陰極。

  但另一方面,電池業(yè)務(wù)的基本運(yùn)營模式卻很不透明,主要是因?yàn)楣?yīng)商過于重視保密,以及身為市場領(lǐng)頭羊的亞洲巨頭變換莫測的經(jīng)濟(jì)狀況。

  過去幾年的情況顯示,所有大型廠商都在增加產(chǎn)能,部分原因在于這樣可以壓低單位成本。作為電池的基礎(chǔ)組成部分,鋰電芯2010年成本超過每kWh1000美元,去年降到130至200美元之間。通用汽車表示,該公司為Bolt采購60kWh電池組時(shí),向LG化學(xué)支付的電芯價(jià)格為每kWh145美元(由于要考慮勞動力、材料和電子元件費(fèi)用,所以電池組的價(jià)格高于電芯成本的總和)。

  特斯拉表示,Model3的電芯價(jià)格更便宜。低成本并非唯一的改進(jìn)之處。大量的研發(fā)投資已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了更高的能量密度(每千克容量有所提升)和更強(qiáng)的耐用性(充放電循環(huán)有所增加)。Bolt的電池質(zhì)保期長達(dá)8年。

  但通過這種方式降價(jià)不僅能生產(chǎn)價(jià)格更便宜、質(zhì)量更好的電池,還會導(dǎo)致嚴(yán)重的產(chǎn)能過剩。CairnERA去年估計(jì),鋰電池產(chǎn)能較需求高出三分之一。該機(jī)構(gòu)和BNEF都表示,每生產(chǎn)一塊汽車電池,電池廠商要么虧損,要么只能賺取微利。

  盡管供過于求,但他們都計(jì)劃繼續(xù)擴(kuò)張,一定程度上是為了進(jìn)一步壓低成本。杰夫解釋稱,這種思維屬于“傳統(tǒng)的亞洲巨頭模式”:通過犧牲利潤率來換取市場份額。

  由于電動汽車短期內(nèi)前景明朗,這似乎是一項(xiàng)不錯(cuò)的戰(zhàn)略。但現(xiàn)在來看,這似乎令人有些緊張不安。盡管杰夫認(rèn)為,電動汽車和儲電設(shè)施的需求增長可以支撐這種高速擴(kuò)張,但他現(xiàn)在也認(rèn)為,“這像是一場沒有黃金的淘金熱?!?/p>

  但其中的確包含其他一些有價(jià)值的金屬。要生產(chǎn)更多電池,就需要更多的鋰,以及其他多種金屬,包括用于制造陰極的鈷。這些金屬大約占到電芯成本的60%。對于電池廠商來說,確保這些材料的持續(xù)供應(yīng)與掌握電化學(xué)技術(shù)一樣重要。

  自從2015年以來,咨詢公司BenchmarkMineralIntelligence的西蒙˙莫爾斯(SimonMoores)表示,鋰價(jià)格已經(jīng)上漲3倍,鈷價(jià)格也上漲一倍,陰極使用的含鎳化學(xué)品價(jià)格同樣也在上漲。

  莫爾斯表示,尋找新的鋰供應(yīng)源并不困難,全世界的鋰儲量至少為2.1億噸,而當(dāng)前的年產(chǎn)量僅為18萬噸。新的鋰礦正在逐漸開采。全球最大鋰生產(chǎn)商智利SQM今年7月宣布將在西澳大利亞投資1.1億美元,組建一家鋰合資公司。

  鈷的情況更加棘手。不僅供應(yīng)匱乏,而且有很多都來自剛果民主共和國。這一地區(qū)既存在道德問題(需要依靠童工生產(chǎn)),還面臨商業(yè)問題(沒人愿意依靠軍閥獲取重要資源)。LG化學(xué)曾經(jīng)表示,該公司正嘗試減少電芯中的鈷元素使用量,同時(shí)繼續(xù)提升性能。今后,從廢舊電池中回收這種金屬將提升整個(gè)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展程度。

  廠商之所以在原材料價(jià)格上漲的情況下依然滿懷信心地?cái)U(kuò)大產(chǎn)能,原因之一在于鋰電池目前幾乎沒有對手。經(jīng)常有其他電池技術(shù)號稱從原理上擁有更大的優(yōu)勢——但卻沒有一種技術(shù)能像鋰電池這樣,通過幾十年的發(fā)展,從單純的創(chuàng)意變成一項(xiàng)主導(dǎo)型技術(shù)。整個(gè)過程催生了大量配套技術(shù),包括精細(xì)制造、電解質(zhì)選擇甚至更加復(fù)雜的金屬陰極納米技術(shù)。

  美國陰極材料供應(yīng)商CAMXPower負(fù)責(zé)人凱南˙薩辛(KenanSahin)表示,鋰電池的成本和重量、反復(fù)充放電的循環(huán)次數(shù)、耐用性和安全性都是通過無數(shù)的調(diào)整得以實(shí)現(xiàn)的,并非一朝一夕可以做到。

  他將電池化學(xué)比作制藥行業(yè)的藥物發(fā)現(xiàn)過程?!罢娴暮茈y。無論你想成規(guī)模地做成什么事情,都必須接受相應(yīng)的副作用。”他說。這是潛在的篡權(quán)者難以模仿的。在可預(yù)見的未來,不斷進(jìn)步的鋰電池技術(shù)——可能使用新的固態(tài)電極——都將繼續(xù)領(lǐng)先,并因?yàn)樗С值膽?yīng)用模式繼續(xù)增多而不斷獲益。

  直到現(xiàn)在,最主流的還是圓柱形的18650電芯。它長約65毫米,直徑18毫米,能量密度大約為每千克250Wh。(作為對比,汽油的能量密度大約高出50倍,但電芯可以存儲成百上千倍的能量。)

  特斯拉和松下目前正在開發(fā)2170電芯,比18650略長、略寬。馬斯克表示,這將成為市場上密度最高的電池。該公司表示,7月末交付的Model3的駕駛成本與之前任何一種車型相比都下降一半。在這款車的發(fā)布會上,馬斯克關(guān)于明年實(shí)現(xiàn)50萬輛產(chǎn)能的聲明令人頗感敬畏。“歡迎來到生產(chǎn)地獄?!彼麑M裝線工人說。

  特斯拉8月7日宣布發(fā)行價(jià)值15億美元的債券,以支持該公司的擴(kuò)張計(jì)劃,給股票市場帶來了急需的喘息機(jī)會——該公司經(jīng)常通過股市融資,其股價(jià)也在過去一年上漲三分之二。

  該公司曾經(jīng)表示,他們已經(jīng)收到45.5萬輛Model3預(yù)售訂單,這可以在年底前產(chǎn)生足夠的現(xiàn)金流,從而鞏固其財(cái)務(wù)狀況。如果一切照計(jì)劃進(jìn)行,馬斯克希望超級工廠成為全世界最大的建筑,每年產(chǎn)能達(dá)到100GWh。該公司還有可能在其他地方建設(shè)超級工廠,下一個(gè)可能就會落戶中國。

  所有的舉措都認(rèn)為電動汽車必將繁榮發(fā)展。這類產(chǎn)品無疑在變得更好、更便宜。但還有一些因素對它的實(shí)用性形成制約,最顯著的便是充電。在英國,43%的車主沒有路邊停車位,因此也就不能在家里給汽車充電。而使用11kW的充電器對90kWh的電池充電6個(gè)小時(shí),便有可能燒斷保險(xiǎn)絲。

  快速充電站是一種解決方案,這是一種類似于加油站的地方。有的汽車公司已經(jīng)開始通過建設(shè)這樣的設(shè)施來緩解電動車主特有的“里程焦慮”。但這種設(shè)施的擴(kuò)張速度能否對整個(gè)行業(yè)的野心形成支持,目前還有待觀察。

  正是由于電動汽車使用量的增長速度存在不確定性,才讓儲電設(shè)施成為了電池制造商的一個(gè)有吸引力的選擇。圣迭戈煤氣和電力公司(SDGE)最近在圣迭戈市郊的一個(gè)車位上建造的這樣一個(gè)設(shè)施并不像新車發(fā)布那樣光鮮亮麗。那其實(shí)是一個(gè)偽裝成拖車公園的汽車電池,內(nèi)有38.4萬個(gè)電芯。這大概是有史以來最遲鈍的變形金剛了。

  但SDGECOO卡洛琳?維恩(CarolineWinn)表示,平凡正是它的魅力所在。這個(gè)設(shè)施的目的是在用電高峰提供電力。模塊化的建筑使得這個(gè)120MWh的設(shè)施——規(guī)模略小于特斯拉承諾在南澳大利亞建設(shè)的設(shè)施——從開工建設(shè)到投入使用只用了短短8個(gè)月。它的噪音很小,幾乎聽不到。

  如果通過燃?xì)鉁u輪來做同樣的工作,成本雖然可以降低,但卻需要耗費(fèi)數(shù)年時(shí)間,而且根本不可能獲得當(dāng)?shù)鼐用竦耐?。維恩還表示,這個(gè)電池設(shè)施“比燃?xì)鉁u輪漂亮多了”。

  終極能量源

  對特斯拉和其他電池制造商來說,電網(wǎng)儲存項(xiàng)目是電力市場最有吸引力的一部分,可以充分利用原本可能過剩的產(chǎn)能。此外,自用儲電系統(tǒng)也可以提升電池的需求。特斯拉就通過Powerwall家用電池進(jìn)軍了這一市場,希望對該公司的太陽能電池板形成補(bǔ)充。

  日產(chǎn)也在開拓自用儲電市場。該公司與美國電力管理公司Eaton合作將二手Leaf的電池提供給企業(yè)和工廠用作備用電源,取代柴油發(fā)電機(jī)。他們的第一個(gè)大客戶是阿賈克斯足球俱樂部的主場所在地阿姆斯特丹球場。

  這類系統(tǒng)在價(jià)格上未必很有競爭力,但政府會為其提供各種補(bǔ)貼。今年5月,美國紐約州監(jiān)管者就為公用事業(yè)公司ConEdison賦予一項(xiàng)權(quán)利,允許它的企業(yè)客戶在布魯克林和皇后區(qū)安裝電池,將電量輸出給電網(wǎng)。

  紐約的電網(wǎng)年久失修,最早可以追溯到一個(gè)多世紀(jì)前的喬治˙威斯汀豪斯(GeorgeWestinghouse)和尼古拉˙特斯拉(NikolaTesla)的時(shí)代。這里目前正在努力將更多的可再生能源吸收為供電來源,而儲電設(shè)施提供了新的方式,可以幫助其應(yīng)對高峰期的用電需求。該州能源官員詹森˙多靈(JasonDoling)表示,這個(gè)項(xiàng)目非常適合安裝在高樓大廈里,可以在早間和傍晚電價(jià)最高的時(shí)候給電梯供電。

  但紐約消防部門仍然擔(dān)心建筑物里的鋰電池可能引發(fā)火災(zāi)。去年的三星GalaxyNote7“炸機(jī)門”讓全世界意識到,鋰電池如果設(shè)計(jì)不當(dāng),就會因?yàn)槎搪范紵?。但整體來看,電極上使用的新材料和陶瓷涂層已經(jīng)讓汽車電池變得非常安全。

  除了安全擔(dān)憂外,安裝自用儲電系統(tǒng)的公司表示,過時(shí)的監(jiān)管和保險(xiǎn)問題對他們構(gòu)成了障礙。瑞士電池制造商Leclanché的負(fù)責(zé)人阿尼爾˙斯里瓦斯塔瓦(AnilSrivastava)表示,這限制了他們的資金獲取能力。他們還需要尋找方法讓儲電設(shè)施變得物有所值。

  有的時(shí)候,這幾乎是唯一符合監(jiān)管要求的解決方案(圣迭戈便是如此):在2015年的AlisoCanyon的儲氣罐泄露后,加州公共事業(yè)委員會就很擔(dān)心洛杉磯發(fā)生停電事故。當(dāng)價(jià)格成為主要目標(biāo)時(shí),電池就要尋找不止一項(xiàng)服務(wù)提供給用戶,這一程序被稱作“收入疊加”。例如,一套系統(tǒng)不僅可以為了短期頻率調(diào)節(jié)而給電網(wǎng)供電,還可以成為一種應(yīng)對峰值需求的方式。

  聽起來似乎很復(fù)雜,但尋找不止一種方法來銷售同一種東西是電池行業(yè)的必然趨勢,就像它為不同的市場和不同的使用規(guī)模定制不同的產(chǎn)品一樣。盡管如今的繁榮看起來有點(diǎn)令人提心吊膽,但從長期來看,這個(gè)行業(yè)似乎的確會迎來不俗的發(fā)展。(編譯/長歌)


本站內(nèi)容除特別聲明的原創(chuàng)文章之外,轉(zhuǎn)載內(nèi)容只為傳遞更多信息,并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點(diǎn)。轉(zhuǎn)載的所有的文章、圖片、音/視頻文件等資料的版權(quán)歸版權(quán)所有權(quán)人所有。本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內(nèi)容無法一一聯(lián)系確認(rèn)版權(quán)者。如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問題,請及時(shí)通過電子郵件或電話通知我們,以便迅速采取適當(dāng)措施,避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。聯(lián)系電話:010-82306118;郵箱:aet@chinaaet.com。