锂基技术材料创新

锂离子(Li-ion)是汽车和工业应用的领先技术,到2030年仍将如此,目前已成为不同应用批量生产和部署的标准电池。对更高能量密度的主要要求是实现更长行驶里程,这与电子交通直接相关。

2030年发展路线图主要考虑基于改性镍钴锰氧化物(NMC)材料的锂基技术,从NMC 111到NMC 811,使镍含量增加,钴含量降低,还有碳/硅复合材料的高电容负极材料的应用。固态技术也将有针对性地提高能量密度和安全性。

锂离子技术包括的负极和正极材料组合

2030年进一步开发的几代锂材料包括锂离子、富镍NMC正极和负极新材料(如Si/C复合材料):

2a代:NMC 111 / 100% C

2b代:NMC 523 -622 /100% C

3a代:NMC 622 / C+ Si(5-10%)

3b代:NMC 811 / Si/C复合材料

由于正负极材料可能组合的多样性,由此产生的锂离子电池显示出适合不同应用的特定和个体性能特征。从材料研究、工艺、生产、开发、回收利用、安全和运输等方面来看,发展适合工业和汽车应用的锂离子技术仍然是一个挑战。

锂离子、富镍NMC电极新材料发展路线图

正极材料的要求包括:高比能(mAh/g)、安全、稳定性(循环和日历寿命)、高压、低极化、价格低廉、稀有材料含量低(如钴)、生产时二氧化碳排放量低、对环境和道德无害、易于处理、可用性好、高功率能力。

经济和环境要求包括:价格低廉、稀有材料含量低(如钴)、易于处理、可用性好、环境安全和道德、操作安全、生产过程中二氧化碳排放量低。

面对的挑战包括:生产工艺、回收过程和运输安全。

锂离子电池的循环经济目标在于,其回收目标将维持在目前50%的水平,而到2030年,活性材料回收率预计将从65%提高到85%,未来将回收镍、钴和锂,使其在商业上完全可行。

镍基技术

镍基电池是在极端气候、循环或快速充电条件下应用的首选技术。不同的设计可供选择:软包、烧结、塑料粘合、镍泡沫和纤维电极。电池为棱柱形或螺旋卷绕式、富液式(或“排气式”)或阀控式,后者也无需维护。

由于几十年来在最极端的操作条件下的安全使用和不断发展,镍镉主要用于特殊和利基应用。通过使用创新材料,这项技术可以进一步开发现有应用,并作为替代解决方案,其在极端条件下的关键性能仍有进一步改进的潜力。镍基电池是未来十年应考虑的工业应用电化学存储系统之一。

镍基电池循环经济目标是到2030年回收效率从目前的79%(活性材料为50%)提高到80-85%(活性材料为55-60%),以达到收支平衡的商业模式。

每种技术的特点和创新潜力

从表中可以看出EUROBAT对每种电池技术最新性能数据的评估和2030年目标,包括每项技术的能力和创新潜力。

每种电池技术的性能参数和2030年目标

从蜘蛛图可以看到2020年各电池技术的关键性能指标(KPI),如重量和体积能量和功率密度、快速充电时间、能量吞吐量、日历寿命和回收率等方面的发展状况和2030年的创新潜力。

铅基技术KPI及2030年目标

镍基技术KPI及2030年目标

锂基技术KPI及2030年目标

2030年每种电池技术的目标关键性能指标则展示了市场上技术互补性的延续。

2030年每种技术的KPI概览

研发创新的四大应用领域

路线图选择了四个关键应用领域:汽车出行、材料处理和物流、越野运输和固定存储。

汽车出行领域

如今,电动汽车开始为人们接受,而汽车电池的主要挑战在于实现不同混合和电气化程度的汽车动能,包括启/停、微混、插电式混动汽车(PHEV)和纯电动汽车(BEV)。根据应用的不同,各种电池会继续共存下去。PHEV/EV有助于在减少本地排放的同时减小内燃机尺寸。

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12V辅助电池

用于燃油车和各种PHEV的12V辅助电池的主要功能包括:支持12V负载,保证车载网络正常运行,在紧急情况下确保安全的操控。在这方面,虽然铅蓄电池用量很大,但锂离子电池也可以占有一席之地。后者的优势在于能量和功率密度。如果锂离子电池在高成本、安全性、可回收性及极端温度性能方面加以改进,就可以与铅蓄电池竞争。

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重型商用深循环电池

现在,欧盟要求许多城市卡车在夜间充电或卸货时不能空转,欧盟立法的变化对电池有了新的要求,即将开启一个新的市场,特别是重型商用车(HCV)的备用电池。这类电池可以确保在发动机不运转且电能需求高的情况下提供高能量。这就是所谓的深循环(放电深度(DOD)高于80%)特性。目前,传统启动或两用铅蓄电池无法满足这一要求。铅蓄电池可以用于这种用途;解决了温窗和成本问题,锂离子电池也可能进入这个市场。

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电动汽车电池

欧盟委员会看好整个电动汽车电池价值链的重要意义,主要采用的锂离子电池技术是镍锰钴氧化物(NMC)和磷酸铁锂(LFP)。铅技术不适合这类推进应用。相比燃油动力,锂动力电池的挑战仍然是高成本和里程有限。另外,充电速度和安全性也是其创新的关键。欧盟正在寻找提高锂离子电池体积和重量密度,同时保证安全性的材料。NMC和固态技术是研发方向。

物料处理和物流领域

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物料搬运电池

物流应用包括订单分拣机、电动叉车、托盘车和侧向装卸机,以及自动引导车辆(AGV)和机器人叉车等。

用于物料搬运应用的电池是一个传统市场,EUROBAT估计,其中铅蓄电池约占90%市场份额,锂离子电池刚开始进入。全球电池叉车市场额定功率为32GWh,年增长率为8%。在噪音和排放法规的推动下,电池叉车正在取代燃油叉车,到2030年市场将达73GWh。

铅蓄电池适合一班制或现场有换电基础设施的应用,需要有足够的充电时间。锂离子电池适合对能源要求更高且电池充电时间有限的多班作业。在极端温度条件下(如冷库)镍基电池是最佳选择。

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自动导向车电池

自动导向车辆是现代生产线与传统运输工具之间的一个平滑连接。在-40℃至60℃工作温度范围,镍镉电池一直是最佳选择。具有高能量和功率密度的锂离子电池也已进入该市场,但由于电池室受限,且重载需要较大的电流,锂离子电池需要增加体积能量密度和循环能力。

越野运输领域

越野市场非常多样化,包括海运、铁路和空运,以及农业、清洁机械、休闲车和高尔夫球车等。

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铁路电池

铁路基础设施是欧洲最有效的运输方式,更高性能电池的开发有助于支持车辆和基础设施创新。

EUROBAT估计,铁路电池市场增长潜力很大,到2025年,锂离子电池、镍镉电池和铅蓄电池的年增长率分别可达25%、5%和4%。

铁路电力牵引(包括通勤列车和地铁列车)的混合化和电气化的电池系统的新应用。锂离子电池尤其能满足此类应用所需的高能量、功率密度和循环特性。此外,由于其免维护和寿命更长等优点,有望成为增长最快的市场。

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船只电气化电池

目前,欧洲正在推进对所有形式船只的电气化,而电池是推动海洋和内陆水域船队转型的助推器,这是锂离子电池的一个机会。锂离子电池非常适合推进需求,铅蓄电池则更适合船载辅助服务,参考安全保障功能和柴油机启动。

大型船舶和渡轮的动力系统都有不同程度的混合。一些长途游轮通过热机发电机给电池充电,为电力推进提供动力,以减少满功率运行时的油耗和排放,在进入海港时也可以纯电动模式运行。

小型船舶推进的混合电力系统正在发展,包括搭载太阳能和风能动力。全电动插电式船舶利益利用港口充电基础设施充电,让船舶在使用过程中不产生任何燃油消耗或排放。

固定储能领域

在电力系统的重大变革中,欧洲需要更大的灵活性和互联性,以优化能源资源。所有电池技术在电网的各个层面都有着重要作用,包括发电和输电、配电和家庭,电池将为可再生能源的整合和稳定电网提供重要服务,也可以为环保、安全可靠的能源供应系统提供灵活性,实现系统的分散和高比例可再生能源的集成,同时支持电动汽车充电设施。其关键功能包括:

稳定中低压电网的电压

确保全球能源平衡和频率

防止电网过载

平衡发电和可再生能源需求

剩余能源管理

固定式蓄电池业务包括不间断电源(UPS)、电信,以及电表后端住宅/商业储能和发电机组层面、输电(TSO)和配电(DSO)系统运营商层面的公用电网规模储能系统,欧洲在这些市场占有很强地位。

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UPS电池

UPS是一个传统市场,到2030年,全球市场将从15GWh增长到24GWh,年增长率为4%。增长是大数据使用的增加以及对新数据存储中心的更多需求。期间,锂电池市场将达到18%。

UPS应用的关键性能指标是能量、功率密度和系统成本,以及充电可接受性、能量吞吐量、工作温度范围和更少的冷却。由于临界负荷是带电运行,电池必须提供更大输出,因此需要提高功率密度。铅和锂技术都要满足这一要求。UPS备用电池还可以产生更多价值,如UPS和调峰以及UPS作为备用电源(UPSaaR)。

此外,在网络中接入较小的UPS电池,可以形成一个大型UPS系统,甚至是虚拟发电厂(VPP),借助5G和人工智能可以实现分布式能源生产、储存和消费。

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电信电池

电信电池是指当主电源不可用或不足时,以48VDC储能系统的电池或电池组为信息和通信技术或电信站点供电。目前,全球电信电池市场容量为17GWh,到2030年可望达到25GWh,锂电池份额将达20%。电信电池应用的关键性能指标是能量和功率密度、系统成本、能量吞吐量、充电接受能力,以及工作温度范围和回收能力。5G网络的推出将推动对高能量吞吐能力的需求。

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电表后端储能电池

据统计,住宅和商业领域二氧化碳排放量占欧盟总排放量的12%,到2022年,这一领域的年电池新增容量将超过4GWh。电表后端可再生能源用固定电池可以发挥调峰或UPS的作用,在电力成本高或可再生能源产量低的情况下提供负载;电池还可作为电动汽车家庭充电站使用。这个市场中,锂电池占主导地位,虽然它有空间方面的优势,但室内储存的安全性有待进一步提高,转向固态技术的发展方向。

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电网规模储能电池

因为很容易在现场安装,并可根据电源和容量需求进行扩展,电池在公用电网规模储能方面有相当大的优势。预计到2025年,全球该领域电池市场将达到60GWh。电池可以通过多种方式实现电网稳定性,快速存储能量或以毫秒为单位输入电网实现补偿,保证频率的稳定,同时补偿发电量和负荷波动引起的偏差。

电池可以实现的不同电网功能

电池还可以承担传统发电厂的运转备用功能,为电网提供备用容量。电池储能还有助于完全断电(黑启动)后的重启,或为集成了可再生能源的岛屿电网供电。电池存储系响应时间在毫秒范围,更适合提供低至分钟的能量控制。现在,通过集中分散的电池存储提供控制电源已经相当经济,利用本地灵活性有助于优化配电网容量。

中国企业的机会

中国虽为锂离子电池制造第一大国,却也存在隐忧与挑战,包括资源开发利用能力落后、技术水平不高、回收再利用体系不完善等限制了产业的国际竞争力。面对欧美发达国际加大相关技术投入力度,加快研发新一代动力电池,中国切不可掉以轻心。相反,更应发现端倪,抓住稍纵即逝的机会,借势扬帆出海。