不同化學(xué)元素之間的碰撞不斷打開新的能量世界,全固態(tài)
電池、鈉離子
電池、氫燃料電池……為了競爭未來市場主導(dǎo)權(quán),各國企業(yè)已開始了新一輪競速。
稀有金屬鋰被廣泛用于生產(chǎn)新能源汽車的充電電池。隨著全球范圍內(nèi)電動(dòng)汽車全面增產(chǎn),鋰電池的市場需求急劇增加,原材料鋰金屬價(jià)格也水漲船高——9月,1噸電池級(jí)碳酸鋰的價(jià)格直逼15萬元人民幣,是去年同期的3倍左右。
鋰資源在地殼中儲(chǔ)量僅為0.002%,電池產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展面臨著資源約束的現(xiàn)實(shí)問題。更嚴(yán)峻的是,鋰電池爆炸事件在全球?qū)乙姴货r,讓當(dāng)前車載電池的安全性備受質(zhì)疑。
傳統(tǒng)鋰電池之外,誰能掌握新一代電池技術(shù)?不同化學(xué)元素之間的碰撞不斷打開新的能量世界,全固態(tài)電池、鈉離子電池、氫燃料電池……為了競爭未來市場主導(dǎo)權(quán),各國企業(yè)已開始了新一輪競速。
后“鋰”時(shí)代
傳統(tǒng)鋰電池技術(shù)的安全性一直為人詬病。據(jù)《日本經(jīng)濟(jì)新聞》近日報(bào)道,由韓國LG化學(xué)提供電池的美國通用汽車公司大規(guī)模召回了幾種主力車型,預(yù)計(jì)最近一起召回事件造成的損失超過9億美元。此前,因儲(chǔ)能鋰電池存在過熱風(fēng)險(xiǎn)、可能引發(fā)火災(zāi)或冒煙,LG化學(xué)決定主動(dòng)召回2017年1月至2019年3月所出售的儲(chǔ)能鋰電池產(chǎn)品,損失慘重。
迫切壓力之下,一種被稱為“后鋰電池”的全固態(tài)電池走進(jìn)各國車企視野。
全固態(tài)電池使用固體材料作為傳輸電的鋰離子來回移動(dòng)的電解質(zhì),與使用電解液的鋰電池相比,不易發(fā)生短路,起火等風(fēng)險(xiǎn)較小。
值得注意的是,在科研領(lǐng)域,全固態(tài)電池技術(shù)已迎來進(jìn)一步突破。美國休斯敦大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)7月發(fā)表的報(bào)告稱,通過溶劑輔助過程來改變電極微結(jié)構(gòu),可以將有機(jī)基固態(tài)鋰電池的能量密度提高至以前的2倍。純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程也將隨之延長至此前的2倍。
數(shù)據(jù)顯示,固態(tài)電池技術(shù)市場參與者已超過20家,包括大眾、豐田、本田、寶馬、松下等,其中日本豐田汽車以900余件全固態(tài)電池相關(guān)國際專利遙遙領(lǐng)先于世界其他車企。
9月7日,在豐田汽車召開的“豐田電池研發(fā)·供應(yīng)”說明會(huì)上,首席技術(shù)官前田昌彥表示,該企業(yè)計(jì)劃將全固態(tài)電池用于混合動(dòng)力車型,2025年前后開始生產(chǎn)固態(tài)電池。去年6月,由豐田制造的搭載全固態(tài)電池的
電動(dòng)車在測試路線上進(jìn)行了行駛試驗(yàn)。
德國車企也正加緊推進(jìn)全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。大眾汽車與位于美國硅谷的固態(tài)電池領(lǐng)軍企業(yè)量子科技公司(QuantumScape)合作,承諾向后者投資3億美元,并與其成立了一家合資企業(yè),用于電池的商業(yè)化生產(chǎn)。寶馬和福特則從2017年開始與美國初創(chuàng)企業(yè)Soild Power合作開發(fā)固態(tài)電池。據(jù)悉,寶馬計(jì)劃于2022年采購測試用電池,2025年之前開始對配備全固態(tài)電池的車輛進(jìn)行路測。
中國兩大電池生產(chǎn)巨頭比亞迪和寧德時(shí)代也加入了固態(tài)電池競爭行列。2021年初,中國國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局公布了比亞迪的283項(xiàng)專利,其中涉及固態(tài)電池、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)等多項(xiàng)技術(shù)。
如何將固態(tài)電池配備在電動(dòng)汽車上?中國電動(dòng)車制造商上海蔚來的表現(xiàn)頗為亮眼。今年1月9日,蔚來汽車在其一年一度的NIO Day(蔚來日)上發(fā)布了一款固態(tài)電池包產(chǎn)品,能量密度達(dá)360Wh/kg,預(yù)計(jì)將于2022年第四季度正式推出。搭載該電池包的ET7車型NEDC續(xù)航將超1000公里。
蔚來汽車電池系統(tǒng)助理副總裁曾士哲表示,雖然表述為固態(tài)電池,但其實(shí)際上為半固態(tài)電池,仍需使用電解液和隔膜。光大證券研報(bào)顯示,全固態(tài)電池的規(guī);慨a(chǎn)尚需時(shí)間,半固態(tài)電池成為液態(tài)電池向全固態(tài)電池過渡的中間產(chǎn)品。
“鈉”“鋰”同行
“電化學(xué)世界就像能量魔方,未知遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于已知。”7月29日,全球最大的車載電池生產(chǎn)商寧德時(shí)代董事長曾毓群在一場線上發(fā)布會(huì)上如是說。
在這場發(fā)布會(huì)上,寧德時(shí)代推出了第一代鈉離子電池,并宣布計(jì)劃于2023年形成基本產(chǎn)業(yè)鏈。市場熱烈反響下,鈉離子電池緊接著迎來政策大禮包:8月25日,中國工業(yè)和信息化部發(fā)文表態(tài),考慮將鈉離子電池納入有關(guān)發(fā)展規(guī)劃和重點(diǎn)科技支持計(jì)劃,盡快推動(dòng)鈉離子電池全面商業(yè)化。
業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為,繼鉛蓄電池、鋰離子電池等電化學(xué)儲(chǔ)能體系后,鈉離子電池開始嶄露頭角,有望推動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展和變革。
相較于鋰離子電池,鈉離子電池的優(yōu)勢得天獨(dú)厚。鈉是地殼中儲(chǔ)量第6的元素,地理分布均勻、提煉簡單、成本低廉。而鋰資源儲(chǔ)量不到鈉的千分之一,且75%分布在美洲。各國還可以采用海水制備鈉鹽。另外,鈉元素和鋰元素屬于同一主族元素,具有相似的物理化學(xué)特性及儲(chǔ)存機(jī)制。寧德時(shí)代介紹,目前的鋰電池生產(chǎn)設(shè)備亦可以用來生產(chǎn)鈉電池。
但與此同時(shí),鈉離子的半徑是鋰離子的約1.3倍,在電池運(yùn)行過程中,嵌入和脫出都更為困難,其產(chǎn)業(yè)化面臨能量密度較低、循環(huán)壽命較短、配套供應(yīng)鏈與產(chǎn)業(yè)鏈不完善等問題。
寧德時(shí)代研究院副院長黃起森介紹,第一代鈉離子電池單體能量密度達(dá)160Wh/kg,高于行業(yè)平均水平的120~140Wh/kg,屬于目前全球最高水平;在常溫下充電15分鐘內(nèi)電量可達(dá)80%,零下20℃低溫環(huán)境下仍有90%以上放電保持率;系統(tǒng)集成效率達(dá)80%以上,熱穩(wěn)定性表現(xiàn)優(yōu)異;依托能讓鈉離子快速通行、具有獨(dú)特孔隙結(jié)構(gòu)的新材料,充放電循環(huán)可達(dá)3000次。
“第一代鈉離子電池在低溫性能和快充方面具有明顯優(yōu)勢,特別是在高寒地區(qū)擁有高功率應(yīng)用場景。”黃起森說。
為了彌補(bǔ)鈉離子電池在現(xiàn)階段的能量密度短板,發(fā)揮高功率低溫性能優(yōu)勢,寧德時(shí)代開發(fā)出AB電池解決方案,實(shí)現(xiàn)鈉離子電池與鋰離子電池集成混合。黃起森透露,隨著后續(xù)技術(shù)改進(jìn),寧德時(shí)代下一代鈉離子電池能量密度將突破200Wh/kg。
“鈉離子電池與鋰離子電池相互兼容互補(bǔ)。”曾毓群說,“各具優(yōu)勢的化學(xué)材料體系能滿足多元的電池市場應(yīng)用場景。”
光大證券預(yù)計(jì),2025年中國鈉離子電池潛在應(yīng)用場景的需求量為123吉瓦時(shí)(GWh),以磷酸鐵鋰電池價(jià)格計(jì)量,對應(yīng)約537億元人民幣的市場空間。
相對于鋰資源的稀缺,另一種稀有金屬鈷的不均衡分布問題更為顯著。美國地質(zhì)調(diào)查局2020年數(shù)據(jù)顯示,目前探明的全球鈷資源儲(chǔ)量僅為692萬噸,分布高度集中,且不可再生。2020年,全球約70%的鈷產(chǎn)量來自剛果民主共和國。
作為動(dòng)力電池的基本原料,鈷資源成本高昂、產(chǎn)能不確定,因此無鈷電池技術(shù)成為各國車企攻堅(jiān)的重要方向。值得關(guān)注的是,全球首款無鈷電池日前正式走出實(shí)驗(yàn)室。
7月29日,中國民營車企長城旗下的蜂巢能源在江蘇舉行無鈷電池量產(chǎn)下線儀式,該企業(yè)成為全球首家突破無鈷電池技術(shù)難關(guān)并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的動(dòng)力電池企業(yè)。8月末,蜂巢能源在成都國際車展上宣布,無鈷電池包正式搭載長城歐拉首款SUV車型櫻桃貓,實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)裝車。
“無鈷電池的量產(chǎn),將幫助全球尤其是中國動(dòng)力電池行業(yè)擺脫對鈷資源的長期依賴,避免其掣肘新能源汽車規(guī);l(fā)展。”蜂巢能源董事長、首席執(zhí)行官楊紅新指出,“去鈷”還將幫助需要使用動(dòng)力電池的新能源車企等大幅降低運(yùn)營成本。
“氫”進(jìn)萬家
在眾多車載動(dòng)力電池技術(shù)各放異彩之時(shí),還有另一條完全不同的技術(shù)道路——氫能:有人視之為真正的“綠色能源”,有人卻不置可否。
作為一種介于化石能源和新能源之間的新能源,氫氣制造工藝多、燃燒熱值高,而且沒有污染物排放。氫燃料汽車的優(yōu)勢也更加突出:氫燃料電池不受寒冷天氣影響,續(xù)航能力強(qiáng)、補(bǔ)能快。但是,氫燃料電池制造、氫氣生產(chǎn)及儲(chǔ)存成本過高等因素一直制約著氫燃料汽車商業(yè)化之路。
面對未知的新能源世界,一些車企正在這條荊棘之路上跋涉。9月6日,在德國慕尼黑首屆國際汽車及智慧出行博覽會(huì)上,德國寶馬推出一款氫燃料電池車,并計(jì)劃于2022年實(shí)現(xiàn)小規(guī)模生產(chǎn),這在一眾純電動(dòng)車中格外醒目。這款車型可通過加氫發(fā)電,配有6千克容量的儲(chǔ)氫罐,加氫過程僅需3~4分鐘。
韓國現(xiàn)代汽車集團(tuán)幾乎同一時(shí)間宣布?xì)淙剂想姵匦聞?dòng)作。9月7日,在氫之日Hydrogen Wave全球線上發(fā)布會(huì)上,該企業(yè)表示,預(yù)計(jì)到2030年實(shí)現(xiàn)氫燃料電池車的價(jià)格和純電動(dòng)汽車相當(dāng),經(jīng)過在該領(lǐng)域20余年研發(fā),氫燃料電池系統(tǒng)的成本已降低近98%。
現(xiàn)代汽車集團(tuán)執(zhí)行副總裁兼燃料電池業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人金世勛透露,該集團(tuán)正在研發(fā)第三代氫燃料電池系統(tǒng),擁有更長續(xù)航能力、價(jià)格降低50%以上,這一技術(shù)升級(jí)正是實(shí)現(xiàn)2030年氫燃料電池車在價(jià)格競爭力上媲美純電動(dòng)車目標(biāo)的關(guān)鍵。
金世勛說,現(xiàn)代集團(tuán)計(jì)劃于2023年將此技術(shù)推向市場,而且將從商用車領(lǐng)域開始著手,向全球市場推出氫燃料電池和純電動(dòng)的客車、重卡等全種類新型商用車,在2028年率先成為全球首個(gè)旗下所有商用車型均搭載氫燃料電池系統(tǒng)的汽車廠商。
在現(xiàn)代集團(tuán)、豐田汽車等車企的計(jì)劃中,進(jìn)一步布局氫燃料電池生產(chǎn)銷售產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)侵匾画h(huán)。今年3月,現(xiàn)代集團(tuán)在廣州成立了中國首家大型氫燃料電池系統(tǒng)生產(chǎn)專用工廠“HTWO廣州”,預(yù)計(jì)2022年下半年竣工。去年6月,豐田與一汽、東風(fēng)等企業(yè)合資成立豐田在海外的首家氫燃料電池系統(tǒng)研發(fā)公司。
全球新興能源市場調(diào)研機(jī)構(gòu)SNE Research數(shù)據(jù)顯示,今年1~7月全球氫燃料電池汽車登記量突破1萬輛,現(xiàn)代汽車銷量位居第一,獨(dú)攬半壁江山。從市場份額來看,得益于今年1月推出的NEXO表現(xiàn)強(qiáng)勁,現(xiàn)代汽車以51.2%的份額位居第一,豐田(40.1%)和本田(1.6%)緊隨其后。
中國科學(xué)技術(shù)部副部長相里斌在“第三屆世界新能源汽車大會(huì)”上表示,氫能是實(shí)現(xiàn)交通領(lǐng)域特別是重型商用車深度脫碳的重要方向,中國將針對行業(yè)重點(diǎn),突破燃料電池產(chǎn)業(yè)化面臨的壽命、成本、可靠性等難題,協(xié)同開展氫能全鏈條技術(shù)攻關(guān),著力解決綠氫制取、儲(chǔ)存和遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)膯栴}。