问鼎今年诺贝尔的技术将如何“定义”未来汽车

 





2019年度诺贝尔化学奖得主是美国,得州大学奥斯汀分校john B Goodenough教授、纽约州立大学宾汉姆,顿分校m.stanley whittlingham教授和日本化学家,akira Yoshino,以表彰他们在锂离子电池的发展,方面作出的贡献。

他们创造了一个可再充电的世界

使用这种材料的电池重量轻、可再充电且功能强大,如今被用于从手机到笔记本电脑和电动,汽车的各个领域。它还可以储存大量来自太阳能和,风能的能源,使一个无化石燃料,的社会成为可能。

这其中,电动汽车的大量应用,是具有极为重大意义的。

自从电池用于驱动汽车,以来,电动汽车成为新能源的标杆,而发展迅速,而动力电池的,发展更是突飞猛进,高潮一浪压过一浪。

电池与车辆的互增值

与传统的消费电子产品电池不同,电动汽车的电池是,具有储能性质的,而这些电动汽车在停放时将变成一台,潜在的储能设备,将对新能源的发展,和电网产生重要影响,这些电动汽车,也许就是消纳大量可,再生能源的关键所在。

这就是电池产量井喷的原因——新能源汽车的超量需求。

新能源汽车对电池的需求与传统的电子设备,远不在一个量级上,一台Model s就有超过7000多节,松下18650电池,一台笔记本电脑才8节左右。

从2013年起步、2014年趋势凸显,到2015年新能源汽车,的突然爆发式增长,导致动力电池供不应求,在2015年下半年出现了大量,整车厂排队购买电池的情况。而供不应求吸引了大量动力电池,企业进行投资,按照一年的投资建设周期,投资的新增产能在2016年,下半年逐步释放。但大部分产能投产,的高峰期在7-8月,全年新增有效产能在10 GWh左右,因此合计来看,2016年有效产能达到40GWh左右。

40gwh的电池电量相当于上海市这样,的特大城市三个多月所有耗电量加总,而这仅仅只是众多电池中,锂电池中的动力电池部分,的产能数据。

此外,电池还促进了电动,汽车的价值提升。

电动汽车在科技领域具有重要价值正是因为它是下一代,其他技术的绝佳实验平台,如自动驾驶、车联网,这些又构成了下一代智慧,城市的基石。

自动驾驶技术的意义也,在于进一步增加电动汽车的价值——意味着你在不需要使用,的你汽车时,你也可以让他出去,来为别人服务帮你赚钱,而在你需要时又在指定时间指定,地点回到你的身边。这无疑又进一步提高了电动汽车,的价值和吸引力。

所以说未来使用权比拥有权更加,重要是一个大趋势。

而车里的电池一直赋予车辆一个恒定的功能,就是储能。

储能也赋予车辆,更多的应用场景:

  • 生活能源、替代发电、野外能源供给;
  • 利用V2G和V2B技术,参与电网调峰调频,售电盈利;
  • 电池寿命长于整车寿命,电池可以梯次利用;
  • 促成廉价微电网系统的诞生,促成能源互联网廉价,终端的出现。


产业形成阶段的乱象

电动汽车拉动了电池产量的井喷,甚至让电池出现了结构性,产能过剩——电池可以以其他附加值更高,的形式(电动汽车)引发大量需求,进入市场。

作为电动汽车的动力来源,电池性能的好坏不但,关系到整车续驶里程的长短,而且关系到产品,的安全性和可靠性。可以说,动力电池的发展决定着纯电动,汽车的未来。

纯电动汽车的里程指标正在追赶,传统燃油车,除了使用高比能电池外,还导致过度多装电池。这两个因素叠加,使电动汽车的安全性更,受威胁,事故频发。工信部曾一度放话,要求暂停使用,三元锂离子电池,但在强大的三元“队伍”的强烈呼吁下,最终不得不作出妥协,同意乘员少的乘用车,可用三元锂离子电池,三元锂电池客车在通过热失控试验,和热失控扩展试验测试的前提下,也可申请推荐目录。

2016年12月19日,国务院印发的《“十三五”国家战略性新兴产业发展,规划》中,有关新能源汽车的第五条:“推动新能源汽车、新能源和节能环保,产业快速壮大,构建可持续发展新模式”中的第二点:“全面提升电动汽车,整车品质与性能”中,也明确提到了电动汽车和电力系统在储能上的,配合实现促进新能源的发展。

这推动了接下来几年的,动力电池发展。
行业新变化,聚焦生命周期后半段

今年以来,行业的聚集度已经,转向回收与处理。

随着越来越多的,电动汽车投入市场,废旧电池的处理成为难题,快速发展的新能源行业也迎来电池,的报废潮。

政策面上, 2019年11月28日,工业和信息化部组织有关《2021年-2035年新能源汽车发展规划》的讨论,召开了节能与新能源,汽车产业发展部际联席会议联络员会议。

工业和信息化部辛国斌副部长,指出,当前我国新能源汽车产业发展面临新形势,(新形势)、新情况,为抢抓机遇、应对挑战,亟需加快制定《规划》,坚持不懈推动产业发展。在汽车产业链新阶段,《2021年-2035年新能源汽车发展规划》的即将出台,引起了新能源汽车产业链,企业的高度关注。

此外,值得注意的是,《汽车动力蓄电池,行业规范条件》即将退出历史舞台,“白名单”制度的消失,这意味着国外动力电池生产,企业进入中国不再有任何门槛。

在12月6日工信部发布的,第11批新能源车推广目录中,北京奔驰PHEV搭载SKI电池,国产的Model3搭载松下、LG电池,广汽丰田纯电CH-R配套松下电池……补贴目录也已对,外资电池企业放开。

和新能源汽车产业链进入新阶段,发生巨变一样,政策也迎来了重大变化。

最近两三年动力电池,技术得到快速发展,电池能量密度更高的三元锂电池,逐渐代替磷酸铁锂电池成为市场宠儿,而目前报废的电池,大多是磷酸铁锂电池,三元锂电池要到2023年才,开始成为再生利用的主要对象。

对于报废电池,处理方式通常有两种:梯次利用和资源再生利用。梯次利用,是将退役的电池经过检测、维护、重组,在其他领域进行再次利用。资源再生利用,则是分解提取电池中,的贵重金属在原材料市场出售。

而被淘汰下来的,废旧磷酸铁锂电池,因为电池能量密度低,梯次利用价值低;提取金属进行资源回收利用,又因为金属含量少,回收效益低,卖不起价格。

另一方面,早期的新能源汽车产品,质量参差不齐,在动力电池残值评估,体系并不完善的情况下,对二手电池的,检测鉴定缺乏标准,即使想交易也无规可依,这也掣肘了二手新能源,车的交易。

正因如此,第一批新能源汽车的电池陆续,进入退役期,这些车主却陷入两难抉择。
电池回收行业的怪异现状

然而,随着我国新能源汽车保有量近几年,的快速增长,动力电池回收产业也在,快速膨胀。二手新能源车的流通,是时候规范了。

数据显示,截至2018年年底,全国新能源汽车,保有量达261万辆,占汽车总量的1.09%。其中,纯电动汽车保有量211万辆,占比超过80%。

首批新能源汽车动力蓄电池,报废高峰即将来临,根据新能源汽车国家大数据,联盟的数据,预计到2020年,我国退役电池累计25GWh,约为20万吨。

中国动力电池报废回收量(千吨)
如此庞大的市场规模,让动力电池回收行业被,视为新蓝海(新蓝海)。

中国人很聪明,从来不缺有前瞻目光,的生意人。早在2016年,也就是中国新能源汽车市场首次称霸,全球的第二年,就有不少电池企业、原材料企业和汽车回收企业涌入这,片未来的蓝海。

但几年下来,这些抱着远大抱负想,把企业做大做强的商人,却发现这个,新兴行业光怪陆离,运营难度远超预期。

拥有动力电池梯次利用、再生利用技术和先进设备,的大企业支撑不下去,没有技术和设备的小,商贩小作坊反而混得如鱼得水。也就是说,规范大厂斗不过小商贩。

为什么会有这种奇特的现象?

因为小商贩小作坊处理废旧,电池的方式很简单粗暴,那就是徒手拆解电池,再将回收的金属,贩卖给原材料市场,这导致他们的运营成本,非常低,正规的大厂根本无法与,之竞争。每年都有不少正规工厂,因渠道拿货没有优势,无法维持正常运作而倒闭。

这种奇特的现象,不仅导致梯次利用市场空间,没打开,对行业发展极其不利,另一方面,徒手拆解电池存在,爆炸的风险,金属处理操作不规范,也可能对土壤造成污染。

归根到底,还是因为没有建立健康有序的二手,新能源车流通生态。



夹缝中求生,行业亟待规范

电池回收行业要如何从散乱无序状态走向规范有序?从过去数年的发展成果来看,只靠市场调节无济于事,行政干预还需加强。

目前,就算电池回收体系相对比较,成熟的发达国家,也大多采用市场调节为主、政府约束为辅的方式,比如德国法律规定电池,生产者需要承担主要责任,并且设立相关基金来完善,回收体系建设。

我国目前也在努力,设法通过行政的力量来,加快完善落实动力电池的回收体系。

2016年,在众多企业嗅到了动力电池回收,的商机时,工信部就发布了针对,电池回收的规范条件,为这个产业制定了游戏规则。2018年,工信部又发布了首批电池,回收白名单,共有5家企业入列。



截至目前,北京、天津、湖南、浙江、广东、安徽、四川、海南等地均已,出台蓄电池回收利用试点方案,有些还成立产业联盟,加快建立区域回收利用体系。

真正落实还靠企业。根据《生产者责任延伸制度推行,方案》,废旧动力电池回收的责任,主体是动力电池厂商及整车厂商,这些企业进展怎么样?

贵为动力电池“独角兽”的宁德时代,出货量最大,回收姿态也最积极。2013年,成立刚满两年的宁德时代就通过收购,邦普进入回收市场,目前锂电池回收已经成为其三大核心,业务之一。



整车厂商也在行动,采取的措施主要是,提高电池质保年限、推出二手新能源车回购政策。

尤其是回购政策,2014 年启辰晨风上市时,就提出了“5年回购计划”,后来被越来越多新能源,车企所采用。相比之下,造车新势力尤其青睐“回购”,包括小鹏、威马、零跑、云度、新特以及特斯拉都推出了“保值置换”服务。

不过,车企的这些回购政策,更多是出于营销需要,里面不仅对里程、时间等设置了许多限制条件,而且必须换购同品牌车型。大部分主流车企的电池,回收业务仍处于探索阶段,并未大规模铺开。事实上,车企也缺乏回收技术能力,首批5家电池回收白名单没有,一家车企。

随着废旧电池首轮,报废潮的来临,二手新能源车流通,产业生态亟待成形。

完善的评估体系,完备的回收网络,成熟的交易平台,合理的奖惩机制,要建立完善的二手新能源,车流通生态,这些要素缺一不可,而这都需要,政府行政力量干预,进而引导行业规范发展。
短期承压,长期向上趋势不变

经济面上,动力电池市场受新能源汽车,销量影响较大。因此,在整体汽车销量不及,预期的情况下,有机构预测,今年全年的产量很,可能将首次出现近五年(或近十年)来的首次负增长。

据动力电池应用分会,研究部统计数据显示,2019年。1-11月累计产量102.19万辆,同比增长2.97%。尽管汽车销量不及预期,动力电池的表现,却还差强人意。2019年1-11月,我国动力电池,累计装机量为52.47GWh,同比增长20.51%。11月我国动力,电池装机量为6.29GWh,同比下降29.49%,环比增长54.29%。

从经济面来看,虽然短期内新能源,汽车市场承压,但中长期国际车企,正在加速推进新能源汽车战略,全球新能源汽车市场将,加速发展。根据R&M报告显示,预计在2019-2025年的预测期内,全球电动汽车电池市场的,复合年增长率将超过19%。亚太地区(尤其是中日韩)CAGR的复合年增长率将超过19%。

当前我国动力电池,产业链已经比较成熟健全,锂电池原材料、上游正极、负极、电解液、隔膜、锂电装备等环节涌,现出了不少国际一流企业。反观欧洲地区,动力电池产业链却相对,较为薄弱,这也给中国企业走出去,创造了机会。

大众汽车为保证其电动汽车动力电池,原材料稳定供应,今年4月与国内的赣锋锂业签署了,长达十年的合作协议。根据协议,赣锋锂业未来十年将,向大众汽车及其供应商供应锂化工产品,以此来满足大众汽车在,电动车锂电池供应方面的要求。

因此总体来看,作为国家战略性新兴产业,之一,在国内政策引导以及全球加速电动化经济,趋势的合力下,新能源汽车和动力电池发展的中长期成长,确定性向上趋势不变。


未来电池变革新趋势

  1. 着力管控,控制风险我国的新能源汽车市场保有量和增量已居世界第一。工业和信息化部日前就《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》公开征求意见,新能源市场又将迎来新的,15年发展机遇期。该规划提出,力争经过持续努力,我国新能源汽车核心,技术达到国际领先水平,纯电动汽车成为主流,燃料电池汽车实现,商业化应用,公共领域用车全面电动化,到2025年新能源汽车新车销量占,比达到25%左右。但是,多年来动力电池着火事故,频发、续航虚高等问题,严重影响着消费者对新能源汽车,市场的信心。虽然电动汽车暴露出,一些安全隐患,但可以从安全的动力电池材料体系及其,安全管理方面解决。目前业内正从动力电池安全,风险在线评估、异常性能单体预警管控以及整车的,安全防护系统设计等多方面构建安全保障体系,完善电动汽车的安全性能。锂离子电池易燃主要和,电解液有关。现在电池的制造工艺、生产过程的安全管理等已有,了很大提升,但依然使用液态电解质,未来可以通过研发固态的,电解质体系提升电池的安全性。改进电池的安全性可以从,两方面入手,一是优化和改良电池材料,二是对电池的,结构和制备工艺进行改进。大数据、云管控、智能化为完善动力电池的安全管理提供了,新抓手(新抓手)。通过安全的电池,材料体系升级,再辅以智能化的,动力电池管理,可以进一步完善动力电池系统,的安全性能。
  2. 解决“出不了远门”“出不了远门”,一直是新能源汽车用户,心中的“痛”。为解决“里程焦虑”问题以及满足补贴政策,要求,当前已有诸多高能量(高,能量)密度的动力电池涌现。研究人员一直在致力于,提升电池“电力”,开发具有更高能量,密度的电池体系。电池材料不断变化,电池的能量密度也不断提高。和现有的锂离子电池相比,锂硫电池的能量密度可以,做得更高。目前就有研究团队,正在开发高性能电池体系,利用新材料提升电池的,能量密度、循环性能、功率特性和安全性等。除了利用新材料,还可以通过电池的充,放电管理让电池更持久。何洪文表示,动力电池系统的性能不仅仅取决于单个,电池的性能,鉴于动力电池组具有的“木桶效应”和充放电末期具有的“扫帚效应”,加强对动力电池组的能量、安全、耐久性管理也很重要。通过建立电池的高精度,模型,采用先进的估计算法,并引入状态反馈修正,可以有效保证电池状态量,的估计精度。
  3. 应对电池“报废潮”2018年我国报废电池达,6000吨左右,3年后的数据将达到20万~30万吨,因此迫切需要工业,解决方案。报废电池留在城市中会,有污染和安全风险,必须将报废电池资源回收,消除风险。过去十年电池的价格已经降至,原来的1/10,这意味着电池材料中的,金属价格接近电池成本价格。通过电池回收,回收企业可以基本实现,盈利,但还需要探索更加成熟,的工业解决方案。锂离子电池的回收技术,在常规的消费领域已经存在,但动力类电池的,材料和系统不一样,需要进一步研发来解决问题。废旧电池的处理不应再走,先污染后治理的老路。电池在设计制造的源头上,要选择一些对环境,友好的绿色电池材料,同时要兼顾电化学性能,构筑绿色电池体系,通过再设计、再利用、再回收,真正达到电池的绿色指标。



结语

车辆电动化是国际公认的发展趋势,电池的技术革命一直在路上。随着汽车性能提升,对新型电池的需求也,在不断提高,将推动电池技术,及其系统集成、管理控制发生新的变化。

如上所述,新一代电池革命正方兴未艾、如火如荼,对汽车领域发展的影响,逐渐推动产业更新和进步、开放与融合。
参考资料来源及致谢
中国科协

中国科学报

中国汽车流通协会
电池联盟
OFweek
北京理工大学材料学院教授 陈人杰
北京理工大学机械与车辆学院教授 何洪文
全国废弃化学品处置标准委员会委员 林晓

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