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先进汽车电池大会(AABC):电池技术发展的关键

2019-07-25 浏览次数:1,345 次 盖世汽车

来自汽车电池行业的主要利益相关者上周齐聚圣地亚哥科罗拉多大酒店,参加第19届美国先进汽车电池大会(AABC)。

此次活动汇集了来自学术界和科学界的专业人员,以及来自电池供应链各级供应商和汽车制造商对车用电池感兴趣的参与者。在现阶段电动汽车普及的转折点上,汇集各方专业意见,并热切关注电池行业目前面临的挑战。本文重点将介绍会议上有关电动汽车电池技术发展的关键主题。

稳定性、可循环性和安全性

实现高能量密度电池的稳定性、可循环性和安全性仍然是学术界和工业界合作研究项目的主要焦点。来自美国能源部下属创新中心储能研究联合中心(JCESR)的Venkat Srinivasan在会上介绍了其团队的研究项目,已经打造了四种具有应用前景的下一代电池原型(锂硫电池、多价镁离子电池、吸气式液化硫电池和还原液流电池),并且成立了三家初创企业(Blue Current、Sephion和Form Energy)来探索将这些电池化学实现商业应用的可能性。

不过他重申,对电池级缺陷建模的根本挑战以及了解其影响是他们团队工作的一个关键重点。由太平洋西北国家实验室(PNNL)Jun Liu领导的Battery500联盟,继续朝着锂离子电池能量密度达到500瓦时/千克和成本价格降低至100美元/千瓦时的长期目标而不断努力。虽然目前锂镍锰钴电池的能量密度达到了350瓦时/千克,但要在这种能量密度下实现可循环性目标仍面临着关键挑战。尽管如此,对液体以及固体电解质的研究仍在继续,人们相信液态电池的潜力尚未完全挖掘。

硅作为阳极材料

人们对于将硅材料作为未来电池阳极材料的市场准备情况提出了不同的看法。美国国家可再生能源实验室(NREL)的Anthony Burrell介绍了其团队的研究成果,旨在提高能源密度并降低成本的同时,克服当前可循环性方面的关键限制。对于他的团队来说,由于充/放电过程中的膨胀/收缩导致了临界硅电解质界面(SEI)的不稳定,这些问题尚未得到解决。

用硅酸锂进行的研究并没有改善循环过程中的稳定性,同时也没有发现在软包电池中增加硅含量能够带来所需的可循环性。相反,由密歇根州底特律市Paraclete Energy公司首席执行官Jeff Norris领导的研究团队,展示了其可量产的金属基SM-Silicon/3590阳极材料,该材料既具有基础材料的产能潜力,同时也具有石墨那样的稳定性和价格潜力。Paraclete声称自己的硅阳极材料是唯一技术成熟度达到TR9的材料,并且该公司提出了一个积极目标:到2020年,将其制造工厂面向汽车应用的产能从目前的每年25吨提高至每年750吨。

专注于降低成本

在侧重于商业方面的相关主题中,汽车制造商们在会议第一天就介绍了他们重点关注降低成本的同时,确保供应链的可持续性。宝马公司的Peter Lamp博士在会上强调了前者,他指出电池占锂离子电池成本的80%,而材料占到电池成本的80%。

降低阴极成本是宝马公司的一个关注重点,他们正在对改进阴极材料开展独立研究,以NMC811为基准,探索替代电解质、粘结剂、导电剂和负载。宝马还认为,电动汽车的行驶里程目标将在2025年前实现,这意味着在那之后不需要进一步提高能源密度;只需要降低成本。

戴姆勒北美公司的Tobias Glossmann关注的是供应链的可持续性,他将戴姆勒描述为一家“电池集成公司”。他提到,要吸取电动机发展过程中,铜价格波动和稀土元素供应链限制方面的经验教训,将开发锂硫电池作为可持续解决方案的重点。需要克服的关键问题包括锂阳极金属的安全性,这在转移到固态电解质时可以解决。

固态电池技术成熟

毫无疑问,固态电池的技术成熟度即使不是本次会上最重要的主题,也是较为重要的主题之一。固态电解质的主要优点(更高的能量密度、耐燃性)已被众多业内人士重申,目前业界似乎专注于将锂金属基电解质从液态变为固态。然而这是通过锂离子基电解质实现的,要实现前文中提到的能量密度达到500瓦时/千克,“最终手段”似乎仍然要依靠固态锂金属。

SolidEnergy Systems(SES)首席执行官兼创始人Qichao Hu也概述了电池技术的发展现状,他表示,需要同时转向更安全的固态电解质以及具有更高能量密度的金属锂化学材料。SES展示了到2020年利用NMC和CNT基阴极化学来实现这一目标的路线图。这家供应商希望将其超薄锂金属箔阳极推向市场,并声称这将为锂枝晶控制带来根本性突破。这项技术已经在无人机上得到了初步的商业应用,不过其在充电速度和可循环性方面仍存在限制,这将影响其在当前汽车电池中的应用。不过,该公司已经在四轮电动汽车的应用中,实现了400次循环时保留85%的电池容量。

为了在离子电导率、界面稳定性、电解质的枝晶电阻、可实现的阳极厚度以及最重要的、可能的量产工艺之间取得最佳平衡,人们继续提出了基础固态化学方面的变化。考虑到固态电解液具有高度灵活、不稳定以及其他一些不可靠的特性,使得其在物流和生产一致性方面非常复杂,固态电池供应商进一步强调了在加工固态电解液时面临的挑战——即使是在现有产量较低,主要为了证明概念性应用的情况下也是如此。另一个有待克服的关键限制因素是在低温环境下的性能。

著名的锂离子电池供应商A123 Systems介绍了该公司在10Ah固态电池生产方面取得的成绩,并发布了到今年年底实现50-60Ah电池的生产路线图;到2020年将发布相关产品的样品;并且计划到2022-2023年,为其汽车制造商客户实现固态聚合物电池量产。不过,低温环境下的性能仍然是其最严重的未知问题,有一种说法是,这个问题可能或必须在系统(即模块或电池包)层面解决,而不是在电池本身。

原材料供应链

众多大宗商品市场参与者出席本次会议,为主要的化学与工厂领域提供了一个有趣的解决方案,同时将大家的注意力集中到独特的电池供应链动态方面。支持电动汽车的商业案例是要实现可盈利且可持续的电池制造,这需要一个适用于所有参与者的有效商业案例,包括采矿公司、化工生产商、加工厂和物流公司。

虽然对所需原材料的基本供应情况似乎并不太担心,但如果要以当前的价格开采和加工这些原料的商业案例以及就锁定供应达成协议的过程就不那么清楚了。那些能够获取原材料的企业只能以可盈利的价格来开采原材料。此外,事实就是关键原材料可盈利的大规模加工仍是中国主导的产业。因此,由于国内缺乏原材料和/或可盈利的生产加工能力,主要汽车生产市场将继续依赖进口,同时大量加工过的原材料将花费较长时间运至全球各地,这一过程将会提高电池的总体生产成本。

尽管在钴原料方面有许多已知的供应担忧,但由于价格下降以及人们对富镍阴极的日益关注,其中许多担忧已经消退,预计在未来10年,富镍阴极将变得更加流行。不过,一些业内专家也对中长期镍原料的可获得性提出了疑问,特别是在所谓的一级(纯)镍方面,据了解,目前的电池100%情况下都需要用到镍。

预计在2025年左右,镍的需求量将超过供应量,除非同时依靠棕地镍矿和绿地镍矿,否则项目将无法及时投产以满足不断增长的需求。除非位于印度尼西亚的镍矿项目产能能够大幅提升,否则镍的供应量将逐渐减少;高等级镍铁合金的浸出可用于生产一级镍;另外硫酸镍(NiSO4)也可以作为替代品。回收的二级镍(大多在菲律宾)可以作为非电动汽车相关应用的替代品,一定程度上缓解供应限制。

尽管如此,其他与会者表示锂、钴和锰等其他关键材料的需求也并非没有风险。根据FastMarket Research分析师William Adams的预测,到2023年至2024年左右,锂的价格将一直保持在低位,直到材料过剩的情况有所缓解。在此之后,锂的供应将随着价格上涨而逐步上升。不过,仍存在一个重要问题,即考虑到当前价格仍然较低,采矿公司是否会加大投资以应对未来需求的增长。

锰虽然在大多数阴极中所占的比例较小,但由于锰的储量丰富,使其价格从根本上更加便宜。即便如此,如果继续投资研发无钴阴极,锰原料也将面临类似的担忧。BASF预计将在2020年推出NMC370阴极,同时高密度NMO阴极将继续成为其研发工作的重点。正如Marco Romero介绍的那样,位于捷克共和国的Chvaletice锰矿项目将有望解决这些问题。

最后,业内对于钴原料存在着广泛的争论。虽然稳定的供应预计在短期和中期将是足够的,不过Ocean Minerals介绍了一个有趣的未来项目,重点关注其对NMC的贡献预计将有助于缓解需求限制。他们位于库克群岛及其周围海底的富钴型多金属结核项目潜在的钴供应量可达到250万吨,该公司对其中100万吨储量拥有专有权。这是一项更广泛调查工作的一部分,这些调查已经确认,全球海底可获得的钴储量估计为1.45亿吨。Ocean Minerals首席运营官Hans Smit进一步概述了该项目,有望在2026年正式投产,很大程度上利用现有技术和设施实现高水平的环境可持续性。这个项目有助于解决钴原料长期依赖较不可持续、较不可靠来源的现状问题。

展望

作为对此次活动的总结,全体会议上发表的更广泛评论引发了有关该行业长期发展方向和财务可持续性的激烈争论。来自CARB的Mike McCarthy通过展望未来,概述了在排放标准、二氧化碳以及鲜为人知的臭氧问题上所面临的挑战。B3 Corp的Hideo Takeshita和Roland Berger的Wolfgang Bernhart最好地总结了行业面临的挑战,他们强调主要一级供应商的利润空间受到严重压缩,并且电池供应链盈利能力不足,这可能会导致行业结构发生巨大变化。

Takeshita-san大胆地指出,松下和三星SDI等公司可能会退出这一市场,可能会出售旗下汽车电池业务,专注于高于预期4-5%的回报率。同时,他还认为LG和CATL将成为未来汽车电池行业的主要力量,并且指出SK Innovation将成为电池行业的一匹“黑马”,其下一步行动和增长或许最难定义。

综上所述,2019年先进汽车电池大会不仅对汽车电池市场的中短期前景提出了积极的技术展望,同时也提出了谨慎的财务展望。虽然面向大众的电动汽车的到来和增长已经具备了基础,但供应链中所有企业的未来盈利能力以及可持续技术的规模经济仍是有待解决的关键问题。

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