锂电池驱动汽车行业

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可充电的锂离子电池于1991年首次进入商业领域,并随后被用于笔记本电脑。10年后,电池为智能手机和可穿戴设备提供电力,推动了技术巨头如苹果的崛起,而现在,电池又重新被用于电动汽车。这一过程中,电池的基本技术几乎没有变化,也就是锂离子通过液体从阴极移动到阳极,然后再回到电池。

锂电池

然而,这只是个开始。在经历了十年的成本快速下降之后,电池已经达到了一个临界点。它不再仅仅是消费产品,正准备改变世界使用电力的方式。在能源领域,负担得起的电池使公司有可能储存电力和收集可再生能源。在汽车行业,它们将挑战燃气发动机长达百年的统治地位。到目前为止,得益于电池成本的急速下降,大多数汽车制造商预计,目前比燃油车更昂贵的电动汽车,在未来5年内的制造成本将与之持平。

这种趋势可能会持续下去,电动汽车目前是电池需求的主要来源。随着需求的进一步增长和成本的进一步下降,电池在各个行业将变得更加具有颠覆性。电池最近在通用汽车公司受到重视,该公司表示,希望到2035年在全球范围内逐步淘汰燃油汽车。电池热潮可能会侵蚀对原油和汽油等副产品的需求,以及减少对主要用于发电厂的天然气的需求。尽管采矿材料和制造电池也会排放温室气体,但分析师认为,汽车和能源行业转向电池将减少整体排放,从而促进应对气候变化的努力。

仅美国发电厂的排放量就占全美排放量的四分之一左右,而轿车和货车等轻型车辆的排放量占全美排放量的17%。可充电电池的兴起现在关系到国家安全和产业政策,控制制造锂离子电池所需的矿物和制造工艺被视为“21世纪版的石油安全”。电池制造目前由亚洲国家和公司主导,近65%的锂离子电池来自中国。相比之下,没有任何国家的原油产量超过全球的20%。许多公司正在研究新的电池,例如固态电池(不通过液体传输离子),它们可以显著增强电量,并进一步降低电池价格。这种技术突破的价值可能达到数万亿美元。

特斯拉跑车拉开锂离子电池商用序幕

第一款采用商用锂离子电池的电动汽车是特斯拉跑车Roadster,于2008年问世。特斯拉的早期优势之一来自于,它可以使用现成的笔记本电脑电池为其汽车供电。该公司最初购买了亚洲生产的现成电池,原本用于笔记本电脑,当时使用的电池在6到12块之间,而这款双座跑车需要近7000块。

伦敦追踪电池价格和行业发展的公司Benchmark Minonal Intelligence汇总数据显示,现在世界上超过三分之二的锂离子电池用于汽车,预计在2030年之前这个比例将达到四分之三。

同样的电池也正越来越多地部署在电网上。美国佛罗里达州Power & Light公司1月份开工建设的巨型电池将使用250万块锂离子电池,其在化学成分上与特斯拉电池相似,只是体积更大。这种电池将能够为迪士尼世界提供长达七个小时的供电。

废旧汽车电池由于多年的充放电而略有退化,但正在储存项目中重新恢复活力。荷兰阿姆斯特丹的约翰·克鲁伊夫竞技场(Johan Cruijff Arena)有个三兆瓦的“超级电池”,由148个日产Leaf电池组制成,其中许多电池组可以回收利用,储存屋顶太阳能电池板产生的电力,帮助平衡体育场的能源消耗。

根据Benchmark的数据,为了满足预期的需求,锂的全球产量在过去10年里增长了近两倍。锂是一种银色金属,也用于制造核弹和治疗躁郁症。锂主要在澳大利亚和智利开采,在那里的地下卤水矿床中储量丰富。不过,美国内华达州和北卡罗来纳州矿山,增加锂产量的努力正受到投资者的关注。       

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图:俯瞰智利北部一座锂矿的卤水池和加工区

近年来,由于汽车制造商的需求激增,锂离子电池价格下跌的速度快于预期。目前,电动汽车电池组和发动机的制造成本,比燃烧化石燃料的中型轿车发动机高出约4000美元。根据投资银行瑞银集团的数据,到2022年,这一差额将降到1900美元。到2025年中期,这一差距将消失。

锂离子电池大规模取代天然气发电

在能源领域,一个多世纪以来,电网始终围绕着即时发电而建。每时每刻,电子的供应都需要与需求相匹配,以防止电灯熄灭,因为没有办法储存能量供下个时间段使用。为了解决这个问题,近几十年来最热和最冷的日子里的电力需求,都是由通过天然气发电来满足的,这些工厂在需要的时候会启动几个小时。

不过在美国部分地区,锂离子电池的大规模安装已经开始取代天然气发电。这些电池通常从太阳能发电场获取能量,尽管它们可以设置为从电网中获取廉价电力,但它们往往会在白天储存电力。日落后,当电力需求和价格上升时,他们会在晚上根据需要释放几个小时的电力。

开发商和电力公司正在考虑参与该行业的另一个进化行动:制造电池,从风电场和太阳能发电场收集和调度廉价而清洁的电力,而不仅仅是日落后的几个小时。这不仅威胁到了供电商,也威胁到了许多传统发电厂,这些发电厂的融资是基于这样的假设,即它们将能够在几十年内全天候有竞争力地出售电力。

位于美国伊利诺伊州、致力于利用可再生能源发电的公司Glidesath Power Solutions首席执行官克里斯·麦基萨克(Chris McKissack)表示,电池“正处于极具颠覆性的边缘”。他估计,在燃烧这些燃料的800GW发电厂中,有超过100GW的天然气和燃煤发电厂可能会立即变得不再具有经济性,没有必要。他说:“这为电池储存提供了一个巨大的机会。”

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图:2019年在休斯顿南部建设的Glideath项目

在电力市场竞争激烈的得克萨斯州,经济力量正在推动电网电池的繁荣。到2020年底,已安装的电池能够提供215MW的电力。电网运营商预计,到2023年底,电池的价值将接近2000MW,约为该州每年这个时候主要电网平均用电量的4%或5%。加州和纽约州已经出台了命令,要求电力公司安装更多电池、提高电网可靠性和平滑价格波动以及纳入更多可再生能源。

去年,两家为近70万客户提供电力供应的加州公司扩大了现有交易,收购了贝克斯菲尔德北部一个大型太阳能和电池储存项目的产量。硅谷清洁能源公司和中央海岸社区能源公司表示,这些电池将使它们能够在不出现价格飙升的情况下提供可再生能源。

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图:加拿大渥太华的锂离子电池储存项目

自2010年1月波士顿咨询集团估计电池成本在每千瓦时1000美元至1200美元之间以来,电池价格已经下降了很长一段时间。该公司表示,除非在电池化学方面取得重大突破,否则不太可能降到250美元,这是汽车制造商的目标水平。如今,电池价格约为每千瓦时125美元,原因是制造能力的大幅增加降低了成本,化学和设计方面的调整进一步节省了成本。

卡内基梅隆大学机械工程副教授文卡特·维斯瓦纳坦(Venkat Viswanathan)表示,人们普遍预计电池成本将进一步下降。他预计,在触底之前,电池价格将在两三年内跌至每千瓦时80美元。

欧美出台产业政策促进电池发展

去年,美国成立了一个由多家机构组成的财团,以促进国内电池行业的发展,理由是该行业在消费电子产品和国防方面扮演着重要角色。它还利用《国防生产法》(Defense Production Act)加快了稀土矿的开发。

欧盟正在利用产业政策促进区域电池行业的发展。德国经济事务和能源部部长彼得·阿尔特迈尔(Peter Altmaier)最近表示,欧盟希望“在欧洲创造一个封闭的电池价值链”,囊括从处理原材料到回收旧电池等过程。

日益增长的电池需求可能会对重要矿物质的供应造成压力,而为所有这些汽车电池供电会增加对电力的需求,导致供应紧张。另一个挑战是:尽管电池安全性有所改善,但锂离子电池有容易起火的问题,这已经导致包括通用汽车、现代汽车以及宝马等在内的公司召回。

此外,充电站的短缺可能会让电动汽车客户望而却步。旧金山估计,到2030年,该市可能需要超过5100个电动汽车充电桩,远高于2019年的834个。根据两位市政府官员共同撰写的一份分析报告,给这些电池加满电可能需要该市多消耗7%的电力。

不过,汽车专家们相信,电池驱动模式最终会占据优势。归根结底,这种车型在制造上比燃油车简单得多,移动部件也少得多。汽车业顾问桑迪·门罗(Sandy Munro)说,内燃机(ICE)的设计已经接近完美,已经有一个多世纪了。每一年,他拆毁约24辆汽车,把它们分成不同的部件,研究材料,技术和装配。与此相反,电池驱动的电动汽车创新才刚刚起步。目前,我们基本上只能接触到皮毛, ICE时代已经接近尾声。

 

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