鉅大LARGE | 點擊量：424次 | 2022年08月19日
除了電動汽車，鋰離子電池還將如何改變能源現(xiàn)狀
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)線上還會時不時地經(jīng)過另外一款車：一款名叫Leaf的電動車。
每到此時，工人的任務就會從安裝油箱變成安裝電池。他的動作與身旁的機械手臂完美配合，在燃油汽車和電動汽車之間無縫切換。
直到最近，很多人還認為這種切換不可思議。過去一個世紀，內(nèi)燃機一直都是汽車和輪船的主要動力。這確實給了它很大的領(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)量就將達到這一數(shù)字的兩倍。事后看來，這番預測顯然過于樂觀，但類似的預測其實并不罕見。
然而，盡管電動汽車的起飛時機無法確定，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。
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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，從而通過擴大產(chǎn)能來簡化這種汽車的普及難度。
鋰電池大躍進
很多預測認為，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。中國大約貢獻了去年全球電動汽車銷量的一半，預計2020年有200萬輛電動和插電混合汽車上路行駛，10年內(nèi)達到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期也較幾年前高出很多。石油輸出國組織(OPEC)現(xiàn)在預計，2040年上路行駛的電動汽車將達到2.66億輛。英國和法國也都表示，到那時將禁售純?nèi)加推嚒?/p>
這都歸功于鋰電池業(yè)務的顯著擴張，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，隨后逐步應用于電腦、手機、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，消費產(chǎn)品貢獻的鋰電池產(chǎn)量約為45GWh。通俗一點說，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20分。
同一年，電動車使用的鋰電池產(chǎn)量就達到了電子產(chǎn)品一半：25GWh。但電池咨詢公司CairnERA的山姆·杰夫(SamJaffe)預計，汽車電池需求最早將在明年超過消費電子，從而成為整個行業(yè)的轉(zhuǎn)折點。大幅擴張已經(jīng)開始。
作為當今全球的5大鋰電池制造商，日本的松下、韓國的LG化學和三星SDI、中國的比亞迪和寧德時代，都在加大資本支出，并預計2020年的產(chǎn)量將達到目前的3倍。據(jù)估計，特斯拉斥資50億美元在內(nèi)華達州與松下合作建設(shè)的超級工廠已經(jīng)可以實現(xiàn)每年約4GWh的產(chǎn)量。特斯拉表示，該公司將在2018年實現(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)永遠不再癱瘓。
在超級工廠里面，他們目前正在努力塞進129MWh的產(chǎn)能，以便履行老板的諾言。當在太平洋彼岸安裝時，它將成為全世界基于電網(wǎng)的同類系統(tǒng)中最大的一個。但今后還有很多類似的系統(tǒng)將會部署。
隨著電網(wǎng)運營商在尋找各種方式來平滑太陽能和風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，對其化學和電子元件進行調(diào)整，以便支持更快的充放電速度。
希望獨立于電網(wǎng)的消費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最高時賣給電網(wǎng)。電池已經(jīng)成為未來真正實現(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。當電池給一個電位充電時，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雜的電極——陰極。
但另一方面，電池業(yè)務的基本運營模式卻很不透明，主要是因為供應商過于重視保密，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，向LG化學支付的電芯價格為每kWh145美元(由于要考慮勞動力、材料和電子元件費用，所以電池組的價格高于電芯成本的總和)。
特斯拉表示，Model3的電芯價格更便宜。低成本并非唯一的改進之處。大量的研發(fā)投資已經(jīng)實現(xiàn)了更高的能量密度(每千克容量有所提升)和更強的耐用性(充放電循環(huán)有所增加)。Bolt的電池質(zhì)保期長達8年。
但通過這種方式降價不僅能生產(chǎn)價格更便宜、質(zhì)量更好的電池，還會導致嚴重的產(chǎn)能過剩。CairnERA去年估計，鋰電池產(chǎn)能較需求高出三分之一。該機構(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，但他們都計劃繼續(xù)擴張，一定程度上是為了進一步壓低成本。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，這似乎是一項不錯的戰(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張，但他現(xiàn)在也認為，“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)供應與掌握電化學技術(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，鋰價格已經(jīng)上漲3倍，鈷價格也上漲一倍，陰極使用的含鎳化學品價格同樣也在上漲。
莫爾斯表示，尋找新的鋰供應源并不困難，全世界的鋰儲量至少為2.1億噸，而當前的年產(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行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展程度。
廠商之所以在原材料價格上漲的情況下依然滿懷信心地擴大產(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)意變成一項主導型技術(shù)。整個過程催生了大量配套技術(shù)，包括精細制造、電解質(zhì)選擇甚至更加復雜的金屬陰極納米技術(shù)。
美國陰極材料供應商CAMXPower負責人凱南·薩辛(KenanSahin)表示，鋰電池的成本和重量、反復充放電的循環(huán)次數(shù)、耐用性和安全性都是通過無數(shù)的調(diào)整得以實現(xiàn)的，并非一朝一夕可以做到。
他將電池化學比作制藥行業(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，都必須接受相應的副作用?！彼f。這是潛在的篡權(quán)者難以模仿的。在可預見的未來，不斷進步的鋰電池技術(shù)——可能使用新的固態(tài)電極——都將繼續(xù)領(lǐng)先，并因為它所支持的應用模式繼續(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)于明年實現(xiàn)50萬輛產(chǎn)能的聲明令人頗感敬畏?！皻g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)行價值15億美元的債券，以支持該公司的擴張計劃，給股票市場帶來了急需的喘息機會——該公司經(jīng)常通過股市融資，其股價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，從而鞏固其財務狀況。如果一切照計劃進行，馬斯克希望超級工廠成為全世界最大的建筑，每年產(chǎn)能達到100GWh。該公司還有可能在其他地方建設(shè)超級工廠，下一個可能就會落戶中國。
所有的舉措都認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個小時，便有可能燒斷保險絲。
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)施的擴張速度能否對整個行業(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車位上建造的這樣一個設(shè)施并不像新車發(fā)布那樣光鮮亮麗。那其實是一個偽裝成拖車公園的汽車電池，內(nèi)有38.4萬個電芯。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個月。它的噪音很小，幾乎聽不到。
如果通過燃氣渦輪來做同樣的工作，成本雖然可以降低，但卻需要耗費數(shù)年時間，而且根本不可能獲得當?shù)鼐用竦耐?。維恩還表示，這個電池設(shè)施“比燃氣渦輪漂亮多了”。
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家用電池進軍了這一市場，希望對該公司的太陽能電池板形成補充。
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。他們的第一個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)在價格上未必很有競爭力，但政府會為其提供各種補貼。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多世紀前的喬治·威斯汀豪斯(GeorgeWestinghouse)和尼古拉·特斯拉(NikolaTesla)的時代。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，可以幫助其應對高峰期的用電需求。該州能源官員詹森·多靈(JasonDoling)表示，這個項目非常適合安裝在高樓大廈里，可以在早間和傍晚電價最高的時候給電梯供電。
但紐約消防部門仍然擔心建筑物里的鋰電池可能引發(fā)火災。去年的三星GalaxyNote7“炸機門”讓全世界意識到，鋰電池如果設(shè)計不當，就會因為短路而燃燒。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。
除了安全擔憂外，安裝自用儲電系統(tǒng)的公司表示，過時的監(jiān)管和保險問題對他們構(gòu)成了障礙。瑞士電池制造商Leclanché的負責人阿尼爾·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)委員會就很擔心洛杉磯發(fā)生停電事故。當價格成為主要目標時，電池就要尋找不止一項服務提供給用戶，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，還可以成為一種應對峰值需求的方式。
聽起來似乎很復雜，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令人提心吊膽，但從長期來看，這個行業(yè)似乎的確會迎來不俗的發(fā)展。
