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浅谈动力电池产业发展及循环利用趋势

作者:安庆衡 来源:中国汽车报 发布时间:2022-01-25 浏览:

中国储能网讯:动力电池作为新能源汽车能量存储与转换装置的基础单元,是新能源汽车的核心零部件,其发展水平关乎汽车产业电动化转型的进程。

据悉,2020年全球动力电池和储能电池的出货量大约为213GWh,同比增长34%。其中电动汽车板块出货量192.9GW和,占比90.6%,同比增长30%;储能板块出货量20GWh,同比增长81.8%。2021年全球电池出货量有可能达到317GWh,同比增长49%,发展势头迅猛。

根据中国汽车工业协会数据,2021年,我国新能源汽车产销分别为354.5万辆和352.1万辆,同比均增长1.6倍,市场渗透率达13.4%。新能源汽车渗透率越过10%的拐点后,将迎来更加快速的市场化发展,动力电池产业也正驶入历史新周期,逐渐由追求“量”的增长转变为“量”“质”同步发展。2021年,我国动力电池装车量154.5GWh,同比增长142.8%,其中三元电池装车量74.3GWh,同比增长91.3%;磷酸铁锂电池装车量79.8GWh,同比增长227.4%。

在新能源汽车市场需求快速增长的同时,动力电池的供应存在缺口。为应对全行业电动化转型带来的供应链压力,2021年以来,动力电池企业纷纷扩充产能,包括宁德时代、比亚迪、中航锂电、亿纬锂能、国轩高科、蜂巢能源、孚能科技等在内的多家一二线动力电池企业都宣布了扩产计划,规划的新增产能超过1000GWh,差不多是2021年动力电池装车总量的10倍,动力电池产业呈现高速发展态势。

牵一发而动全身,动力电池供应链需求也水涨船高。短期来看,新能源汽车市场井喷,动力电池供应链缺货、涨价态势愈演愈烈;从中长期看,为保障TWh时代稳定供应,动力电池产业链合纵连横不断升级,动力电池材料循环利用也受到各方重视。在此形势下,认真研究新能源汽车动力电池产业的发展趋势十分必要。

动力电池产业呈现三个发展趋势

1.电动化转型提速,动力电池产业竞争升级。

随着产业规模的持续增长,财政补贴即将退出,我国动力电池产业将依靠市场驱动,并随着对外开放的逐渐深入,正面参与国际市场竞争。一方面,LG化学、松下等跨国动力电池企业不断开拓中国市场,竞争日益加剧;另一方面,宁德时代、孚能科技等纷纷调整发展战略,与特斯拉、宝马、戴姆勒等跨国整车企业合作,并积极在欧洲布局工厂,加快“走出去”,我国动力电池企业全球化发展提速。

2.长协订单、大订单增强产业发展的稳定性。

在动力电池产业快速发展、电池企业加大投资扩张的态势下,防范企业发展风险十分必要。大订单、长协订单落地,才能让新周期动力电池市场红利更具确定性。从车端来看,2021~2023年是外资车企电动化车型密集投放期,自主品牌也在新能源转型上加足马力。通过长期订单、项目定点、合资合作、入股等多种形式锁定动力电池产能,已经成为主机厂现阶段的重要角力点。2021年,宁德时代、亿纬锂能、国轩高科、远景动力、欣旺达、孚能科技、万向一二三、捷威动力、微宏动力等国内电池企业均拿下了不同程度的长协大单或项目定点。

3.确定性需求加速动力电池产业新一轮产能跃升竞赛。

据不完全统计,2021年以来,国内动力及储能电池投扩产项目总投资超过5000亿元,粗略估算扩产规划超过1.4TWh。从项目投资及产能规模看,宁德时代、比亚迪、中航锂电、蜂巢能源、国轩高科、亿纬锂能等头部企业是扩张主力。其中,宁德时代规划投资超1200亿元,中航锂电超760亿元,蜂巢能源超670亿元,亿纬锂能超440亿元。与前一轮产能扩张的明显区别是,头部动力电池企业的产能规模从十GWh级别向百GWh级别跃升。

同时,动力电池企业向上游延伸趋势明显,扩建基地注重资源优势,四川、江西等具备资源优势的地区成为动力电池企业入驻的重要考量。湖北、安徽等具有地理优势及产业链优势地区也在成为新能源产业集聚新高地。

在激烈的竞争中,宁德时代、比亚迪等领先的电池企业开始面临挑战。大众汽车计划未来10年在欧洲新建6座动力电池超级工厂,奔驰、吉利、广汽等公司也在纷纷自建动力电池工厂,宁德时代的竞争对手在增多、在变强。

如今,美国已明确汽车产业的未来是电动汽车,并提出电动汽车扶持计划;美国能源部也将提供2亿美元用于动力电池研发,提供170亿美元贷款推进储能应用。中美两国在电动汽车和动力电池方面的竞争会越来越激烈。

动力电池技术发展四大趋势

1.动力电池技术路线呈现车辆场景化发展趋势。

动力电池将根据新能源汽车的不同技术路线和使用场景,定向提升技术指标。混合动力汽车的首选技术是具有高功率特性的锂离子电池(磷酸铁锂电池和三元电池等);中高端新能源乘用车的首选技术是具有高能量密度特性的三元电池,众多动力电池企业在安全发展的前提下,积极布局高镍三元电池研发,以满足长续驶里程和能耗需求;商用车和经济型乘用车的主要需求是具有高安全、长寿命和低成本特性的磷酸铁锂电池,并需通过更换负极材料及优化电池设计等,进一步提升其性能和经济性。

然而,受成本和技术进步的影响,动力电池技术路线也在变化,如比亚迪刀片电池改变了磷酸铁锂电池的地位和发展态势。2021年,磷酸铁锂电池的装车量在近年来首次超过三元锂电池,一些中高端车型也开始选用磷酸铁锂电池。

2.固态电池是新一代动力电池的重要技术方向。

以固态电池为代表的新一代动力电池,是未来的重要竞争领域,需给予足够重视。我国在固液混合型固态电池方面领先于世界,技术已接近成熟并开始产业化。但全固态动力电池研究总体上仍处于技术攻关阶段,产业化布局尚未开始,预计2025年以后才有可能开始产业化应用。目前,需加强政府支持和指导、产学研合作、上下游合作和市场化产业链建设。

3.钠离子电池有望替代铅酸电池应用于低速动力车辆。

钠离子电池的优势一是安全性高;二是储量丰富且成本低;三是兼容现有的锂电设备,其工作机制与锂离子电池相同,电池企业现有的生产设备可直接用来生产钠离子电池;四是无过放电特性。钠离子电池允许放电到0V,能量密度大于100Wh/kg,而且成本优势明显,有望在大规模储能中取代传统铅酸电池。目前,宁德时代已启动相应的产业化布局,2023年将形成基本产业链,钠离子电池有望成为未来车用及储能动力电池的重要备选路线。

4.退役动力电池梯次利用与提高再生利用技术必要性越发突出。

随着电动汽车的持续发展,动力电池的退役量在逐步攀升。首批投入市场的新能源汽车动力电池使用已超过10年,面临退役。有数据显示,2025年后,每年退役电池数量超过百万量级,从环境保护和解决产业前端资源实现能源再生利用两方面考虑,解决退役动力电池梯次利用与再生利用问题已迫在眉睫。

低成本是退役动力电池梯次利用未来的核心突破方向,具备经济性优势是其参与市场竞争的必要条件。当前需基于应用场景建立统一的残余价值评价体系,建立基于数据训练的电池白箱模型;结合备电、储能、低速电动车等不同应用场景,围绕电池荷电状态、健康状态、功能状态和安全状态等多影响因子,深化对电池电化学特性及外特性表征关联关系的判定。退役动力电池再生技术方面,国内现阶段以湿法冶炼为主,随着中国机械制造和智能控制水平的提升,火法冶炼技术与装备将有望进一步发展。此外,基于动力电池全生命周期设计回收利用流程、开发绿色回收和污染防控技术,将成为未来发展的重点技术攻关方向。

动力电池供应链发展三大趋势

1.供应链正成为汽车产业最大掣肘,“补链强链”成为全球共识。

受上游原材料产能限制和供给短缺影响,2021年以来,需求高涨的动力电池领域出现了“无米下炊”的窘境,部分材料缺货甚至引发“蝴蝶效应”,掣肘动力电池企业产能释放。站在中长期的视角,面向TWh时代,头部动力电池企业产能规模普遍向百GWh体量迈进,这需要配套材料厂规模向10万吨级别以上迈进。这意味着,沿用之前上游供应链的扩张规模已经远不能满足需求,这对于资金投入、产能规划、产线部署等都提出更高要求,也因此倒逼电池企业深度参与到上游供应链的布局中。如今,宁德时代、比亚迪、国轩高科、亿纬锂能、LG化学等国内外电池企业都加大了上游产业链布局,将其作为公司战略的重心。电池企业“亲自入场”的目的不言而喻,一是抵御资源断供风险;二是防范供应链价格波动;三是更深层次参与到新技术与产品的产业化;四是打通产业链上下游,部署全产业链生态循环。

2.供给结构失衡可能改变上游资源技术路径和定价机制。

全球市场对于锂电池庞大的刚性需求,正在改变最上游锂、镍、钴的供给结构,巨大的供给矛盾缺口将倒逼动力电池企业通过资本投入、技术创新等方式来改变甚至颠覆现有的上游资源技术路径和定价机制。前段时间,中央政治局会议在审议国家安全战略时提出要确保能源矿产安全。这是如此高规格会议首次把矿产安全和能源安全并列,意味着矿产安全上升到国家战略。这一变化背后的原因,是全球范围内向清洁能源转型引发的大量战略性矿产需求,如动力电池需要的锂、镍、钴、锰等。未来这些矿产供应可能难以跟上清洁能源迅速增长的需求,应引起重视。

以锂为例,IEA的研究报告《关键矿物在清洁能源转型中的作用》显示,随着各国逐渐向清洁能源迈进,电动汽车取代燃油车的进程加速,2040年锂的需求可能比现在高出50倍,这意味着世界将面临锂的严重短缺。鉴于锂资源区域分布不均以及控制权高度集中,锂电市场会不可避免地受到价格波动、地缘政治的影响。国内锂资源此前主要来自于南美盐湖提锂和澳洲锂矿石,随着进口供给价格的波动、地缘政治等多重因素的影响,加大国内锂资源的开发(盐湖提锂、锂云母提锂、锂辉石提锂)成为国内产业界的一致选择。

3.动力电池产业链的生态循环与可持续发展,是全球碳中和目标下的产业共识,也是参与全球市场竞争的必要。

欧盟的新电池法规(2020/353)提案对欧洲电池产业链实施了更全面的监管,包括引入碳排放量、原材料供求、可再利用原材料使用比率等具体环保规定。宝马、奔驰、大众等欧洲车企在供应链选择上,已针对电池全生命周期二氧化碳排放(LCA)当量提出要求,主要涉及三方面。一是低碳生产,使用清洁能源供电,甚至100%使用绿电;二是材料回收,提高正极材料和金属的回收比例;三是电池产品全生命周期碳排放。对于动力电池企业而言,只有更深度地参与产业链上游及回收利用环节的布局,打造产业链的生态循环和可持续发展,才能有效参与全球市场竞争,在减碳、可再生材料利用等领域具备更大的主动权和把控权。

自2023年1月1日起,欧盟将对进口的部分商品征收碳关税。这势必会提高电池企业的出口成本,并要求中国的电池企业花时间、花投资,按照碳排放要求进行改造和验证,以应对越来越高的碳壁垒。

动力电池领域的碳中和是无法绕开的一道必答题,谁越早行动,就越能掌控接下来的主动权,而这也是动力电池部署产业链生态的背后逻辑所在。

如今,中国汽车动力电池产业发展走在了世界前面,发展态势很好,但也面临不少挑战,还需继续努力。

  (作者系中国汽车工业咨询委员会主任)

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