近幾年電池領(lǐng)域的專利數(shù)在眾多行業(yè)中遙遙領(lǐng)先。從原材料到電芯,花在研發(fā)、擴(kuò)大全球產(chǎn)能和供應(yīng)鏈合作上的資金已達(dá)數(shù)十億美元。
電動(dòng)車一直在成本上追趕燃油車,目標(biāo)是到2026年實(shí)現(xiàn)與燃油車成本持平。可惜事與愿違,就在過去的10年里,鋰離子電池的價(jià)格上漲了90%,其中原材料的價(jià)格(尤其是鋰金屬)在去年漲的厲害。
目前的電動(dòng)車電池以鋰電池為主,鋰金屬價(jià)格上漲無疑是在扯后腿。也給致力于全系車型零排放的汽車制造商帶來了些許壓力。
整合
現(xiàn)代電池廠改造相對較為簡單,生產(chǎn)使用各種不同材料的電池,響應(yīng)不斷變化的客戶需求 ▼
咨詢公司麥肯錫的電池材料分析師馬克斯·里德(Max Reid)說:“歐洲和美國的制造商在電池材料、前驅(qū)體和陰極材料方面嚴(yán)重依賴東亞供應(yīng)商,一個(gè)高成本行業(yè)卻依賴一個(gè)低利潤市場,并且競爭很激烈。”
去年11月,全球性專用化學(xué)品公司莊信萬豐集團(tuán)(Johnson Matthey)宣布退出陰極材料業(yè)務(wù),因?yàn)槌杀咎撸瑹o法獲得預(yù)期利潤,也無法吸引主要的商業(yè)伙伴。
Reddie & Grose律師事務(wù)所的一位專利律師達(dá)斯汀·鮑爾(Dustin Bauer)說:“陰極材料的選擇尤為重要,它通常占到了電池成本的50%。”
為了降低電池成本,緩解原材料壓力,整條供應(yīng)鏈上的企業(yè)都在整合。
比如,特斯拉直接與美國一家礦場簽訂了鎳供應(yīng)協(xié)議,該礦場將于2026年投入生產(chǎn)。特斯拉同時(shí)在努力將鋰的來源多樣化,甚至要保證自己在美國的采礦權(quán)。
又比如,世界最大的化工企業(yè)之一德國巴斯夫(BASF)與世界最大的電池制造商寧德時(shí)代合作,為寧德時(shí)代的第一家歐洲工廠供應(yīng)正極材料。
除了寧德時(shí)代,巴斯夫還為保時(shí)捷與德國電池制造商Customcells的合資企業(yè)提供原材料。與中國的蜂巢能源(SVolt)合作開發(fā)陰極材料和電池回收技術(shù)。
巴斯夫的一位發(fā)言人說,該公司一直致力于如何高效提取金屬,避免在回收時(shí)金屬遭到破壞而浪費(fèi)。
瑞典電池初創(chuàng)企業(yè)NorthVolt在2021年底推出了它的第一款電池產(chǎn)品。內(nèi)部的陰極生產(chǎn)到最終的電池回收,該公司的目標(biāo)是將整個(gè)過程完全垂直整合。
NorthVolt還在與大眾汽車合作建造一家德國電池廠,預(yù)計(jì)將于2024年投入生產(chǎn),并與沃爾沃合作供應(yīng)一家瑞典工廠,每年能夠提供50GWh的電池容量,足以供大約50萬輛汽車使用。
總部位于英國謝菲爾德的鈉離子電池研發(fā)公司Faradion的技術(shù)和運(yùn)營總監(jiān)露絲·塞耶斯(Ruth Sayers)說:“目前,千兆工廠在歐洲十分熱門。在客戶群附近建廠,不必滿世界運(yùn)輸零部件,怎么看都是一件劃算的事,更不用說對于環(huán)境也有好處。”
鋰貴、鈷“臟”
鋰離子電池在市場上占主導(dǎo)地位,主要的正極化學(xué)成分包括鎳錳鈷鋰(NMC)和鎳鈷鋁鋰(NCA)。由于制造商想要降低成本,并嘗試去“鈷”,磷酸鐵鋰(LFP)電池開始異軍突起。特斯拉就打算在入門級汽車中改用磷酸鐵鋰電池。
“材料的選擇基本上是由消費(fèi)者的需求決定的。”里德說,“續(xù)航、價(jià)格、性能……消費(fèi)者最看重的是什么,我們就要生產(chǎn)什么樣的電池,選擇合適的化學(xué)成分。改造工廠,生產(chǎn)出某種化學(xué)成分一點(diǎn)都不難。”
去年,寧德時(shí)代宣布正在制造鈉離子電池,不會再受到鋰價(jià)格的制約。它的第一代商用鈉離子電池與使用磷酸鐵鋰的鋰離子電池大致兼容,可以將鋰離子和鈉離子電芯整合到同一個(gè)電池包中。
“鈉離子電池的能量密度比鋰離子更低,更能適應(yīng)快充和低溫環(huán)境。鈉離子電池還可以在深度放電的狀態(tài)下進(jìn)行運(yùn)輸或維護(hù)。而鋰離子在這種狀態(tài)下是最容易起火的。” Faradion賽耶斯解釋說。
寧德時(shí)代的第一代鈉離子電池的能量密度為160Wh/kg,這與使用磷酸鐵鋰的鋰離子電池差不多。但其他化學(xué)材料可以達(dá)到265Wh/kg,該公司的目標(biāo)是在下一次換代中突破200Wh/kg。
寧德時(shí)代的一位發(fā)言人透露,它正在使用無陽極鋰金屬電池技術(shù),這有助于大幅提高能量密度。這種電池在制造和運(yùn)輸過程中沒有陽極。當(dāng)電池第一次充電時(shí),鈉開始聚集在集電器上,從而構(gòu)成了陽極。
Faradion也有類似的計(jì)劃。
“鈉離子電池的制造過程和生產(chǎn)設(shè)備與鋰離子電池完全相同。所以基礎(chǔ)設(shè)施都是現(xiàn)成的,不需要額外的資本支出。”賽耶斯說。
特斯拉宣布將使用磷酸鐵鋰電池,也為鈉離子的未來提供了更多的可能性。鈉離子本質(zhì)上是一種磷酸鐵鋰替代技術(shù),所以磷酸鐵鋰的應(yīng)用前景也就是鈉離子的應(yīng)用前景。
鋰很貴,鈷很“臟”。
從巖石或鹽水中每提取一噸鋰要消耗數(shù)百升的水,而剛果的鈷礦往往伴隨著侵犯人權(quán)和破壞環(huán)境的指控。
鈉離子電池既不含鋰也不含鈷。銅也不需要了,集電器上只有鋁。所以,鈉離子電池要便宜得多,有可能將材料成本降低40%。
Faradion首先將鈉離子電池應(yīng)用至三輪車市場。印度首富穆克什·安巴尼(Mukesh Ambani)的瑞來斯太陽能公司(Reliance New Energy Solar)計(jì)劃在印度西部建造一座千兆工廠,該工廠將使用Faradion的鈉離子技術(shù)。安巴尼鐘愛鈉離子,向Faradion公司投了一億英鎊。
Faradion還在與卡車和公共汽車制造商洽談。
鮑爾律師建議:“鈉離子生產(chǎn)商可以借鑒鋰離子電池30多年的制造經(jīng)驗(yàn),利用大量的現(xiàn)有知識來快速推進(jìn)鈉離子技術(shù)。”
但寧德時(shí)代并不認(rèn)為鈉離子會取代鋰離子。鈉離子具有獨(dú)特的優(yōu)勢,可以適應(yīng)鋰離子電池適應(yīng)不了的情況。從長遠(yuǎn)來看,鈉離子電池和鋰離子電池將共存并相互補(bǔ)充。
固態(tài)的未來?
雖然提高充電樁的利用率可能會解決大多數(shù)續(xù)航焦慮,但固態(tài)電池技術(shù)有可能提供更大的能量密度,提供更高的續(xù)航里程。
寧德時(shí)代已經(jīng)開發(fā)出了固態(tài)電池原型,但因?yàn)橛卸喾N技術(shù)問題需要解決,距離大規(guī)模生產(chǎn)還有一段距離。
“固態(tài)電池目前還處于試驗(yàn)階段,必須要經(jīng)歷這個(gè)復(fù)雜的沉淀過程。”里德說。
固態(tài)電池需要用到高純度金屬鋰取代鋰離子電池負(fù)極中的石墨,這需要依靠氯化鋰作為前驅(qū)體。目前,還沒有足夠的基礎(chǔ)設(shè)施滿足這一供應(yīng)。
“如果需求上來了,我們必須擴(kuò)大規(guī)模,雖然據(jù)稱固態(tài)電池可以在5分鐘內(nèi)充滿一輛汽車,但它還是太貴了。”里德說,“研究小組正在研究將鈉作為一種更便宜的替代品。”
Britishvolt工廠效果圖。歐洲各地正在建設(shè)幾個(gè)千兆工廠,如Britishvolt正在建設(shè)的工廠 ▼
中國臺灣的輝能科技(ProLogium)號稱已經(jīng)開發(fā)出一種固態(tài)鋰陶瓷電池,可以在12分鐘內(nèi)完成充電,提供的續(xù)航里程是傳統(tǒng)鋰離子電池的兩倍。
2月初,奔馳領(lǐng)投輝能科技,兩家公司預(yù)計(jì)奔馳汽車將在2025年之后用上固態(tài)電池。
回收
電池可能是未來的石油,它能消除石油帶來的環(huán)境污染嗎?答案是有可能。回收大量關(guān)鍵材料可以減少電池的碳足跡。
英國正在建立回收系統(tǒng)。莊信萬豐已經(jīng)與歐洲金屬回收公司(European Metal Recycling)合作,為鋰離子電池和電池原材料開發(fā)一個(gè)完全封閉的循環(huán)過程。
而Faradion公司打算在擴(kuò)展業(yè)務(wù)規(guī)模的同時(shí)覆蓋整個(gè)電池的生命周期。
“鈉的回收過程與鋰離子大致相同,甚至更簡單。因?yàn)殁c離子電池的集電器上只有鋁,沒有銅,不需要費(fèi)盡心思分離元素。”賽耶斯說,F(xiàn)aradion還在研究一種綠色電池,其中的元素可以回收制成肥料。
2月初,另一家新企業(yè)Britishvolt與采礦和回收集團(tuán)Glencore成立了一家合資企業(yè)。雙方合作的初衷是為了處理其千兆工廠的鋰離子廢料,慢慢發(fā)展成了電池回收業(yè)務(wù),預(yù)計(jì)將于2024年初開始批量生產(chǎn)。
除了回收,該公司還希望減少電芯生產(chǎn)過程中的碳排放。首席技術(shù)官艾倫·帕特森(Allan Patterson)在知識轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)(Knowledge Transfer Network)的電池技術(shù)峰會上說,該公司的目標(biāo)是每千瓦時(shí)產(chǎn)能的二氧化碳排放量不超過25公斤。
作為參考,美國和歐洲的標(biāo)準(zhǔn)是不超過大約60公斤/千瓦時(shí),中國的標(biāo)準(zhǔn)大約是90公斤/千瓦時(shí)。主要的做法包括將陰極材料生產(chǎn)本地化,并使用可再生能源,石墨也可如法炮制。
Britishvolt還希望提高電池的性能。提高能量密度固然重要,但所有問題最終還是會回到主要材料的生產(chǎn)和回收。
(責(zé)任編輯:子蕊)