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向新向绿向未来 动力电池边跑边创新

文摘   2024-10-25 18:06   上海  
作为新能源汽车成本占比最大的零部件，动力电池的发展是新能源汽车产业应用过程中极其重要的一环。动力电池如何实现低碳要求？回收利用情况如何？技术创新到了什么地步？这些问题一直牵动着业界的神经。
动力电池加快低碳发展
随着新能源汽车快速推广应用，带动关联的动力电池产能也在快速增长。
据统计，截至2023年底，全球动力电池产能已达到2.2TWh，远超过2023年动力电池需求量750GWh。根据国际能源署测算，如今已投产和计划投产的全球动力电池产能恰好与净零排放路径所要求的产能相匹配。
在此背景下，各国碳足迹核算法规和方法如何协同？供应链尽职以及数据分享与跨境传输如何落实？电池大规模退役、回收与再生等问题如何应对……正在成为各国政府和产业界关注的焦点。
此外，新体系电池技术研发正快速推进，固态电池、锂金属电池、富锂锰基电池、钠离子电池等技术体系均取得了显著进展，极大地丰富了未来动力电池技术路线和产品系谱。
无论是产业链发展需求，还是国际上各经济体提出的发展目标，动力电池产业都有较大的发展空间。
国际能源署能源科技与交通分析负责人Elizabeth CONNELLY指出，2016年，能源部门占全球电池需求的一半左右；到2023年，电池市场已经增长了10倍，而能源部门占比超过90%。从2010年起，电池成本下降了90%，为电动汽车和电力部门的电池储能创造了新的机遇。
多位业内人士认为，在主要电动汽车市场中，如果已宣布的电池产能能够完全建成，将能够满足各国政府气候雄心下国内的生产需求。要实现COP28（《联合国气候变化框架公约》第二十八次缔约方大会）提出的2030年可再生能源目标，即2030年全球可再生能源装机容量至少达到1.1万GW，储能容量需要增加6倍至1500GW以上，其中电池占增长量的90%，抽水蓄能、压缩空气和热能储能可作为补充。
如何保证实现低碳化，成了当前众多国际组织的硬性要求。中国汽车技术研究中心有限公司首席专家孙锌表示，欧盟《新电池法》当中对于碳足迹的要求，无论是对于电动汽车企业，还是对于电池企业，都是一个挑战，包括碳足迹如何核算、碳足迹相关数据如何获取、核算结果能不能被认可。
中国环境科学研究院环境管理研究中心主任谢明辉进行了电动汽车碳足迹及动力电池碳足迹的研究，结果表明EV（电动汽车）和ICEV（燃油汽车）的碳排放为25022kg（166.8g/km）和39497 kg（263.3g/km）；EV的原料获取、运行使用阶段占比44%、52%，动力系统在生产阶段排放的碳排放占比72%，而ICEV运行使用阶段占比86%。采用定向循环工艺和循环再生工艺回收1kg动力电池可减少碳足迹2.76kg和3.75kg；与原生产品相比定向循环工艺和循环再生工艺分别可减少7%和10%的碳足迹。
破局动力电池回收难题
随着新能源汽车逐渐普及，首批动力电池即将迎来回收高峰，如何回收再利用，成了摆在整个行业面前的“大问题”。
Elizabeth CONNELLY表示，从现在到2030年，循环电池材料依然比较有限，在未来10年内应进一步扩大电池材料的回收力度，这需要动力电池回收企业和电池生产企业开展更多合作。在考虑电动汽车全球化的背景下，需要在全球更多地方布置回收网点，如电动汽车出口到了非洲，也需要在这些地方加速充电设施建设和回收网点布置，可以更好地促进电池回收。
巴斯夫（中国）有限公司电池材料销售经理王涛指出，与未来可能的其他替代方案相比，回收将有助于降低约22%的碳排放，通过回收每辆汽车可实现约500kg的碳减排。巴斯夫电池材料及回收研发团队围绕产品研究、产品开发、工艺技术、下一代电池体系、回收、数字化等开展了大量工作，技术路线包括高电压、高镍、钠电池、固态电池等材料，目标是为电动车市场提供高比能、低成本和可持续发展的电池材料。
宁德时代董事长曾毓群表示，公司提出了“零碳新基建”的解决方案，公司具备27万吨废旧电池处理能力，未来将达到100万吨的废旧电池回收产能。
曾毓群解释到，“零碳新基建是通过科技创新、新型商业模式，推动基础设施的升级，构建一个高效、智能、零碳的基础设施体系”。按照曾毓群的观点，除了交通电动化，港口、码头、工厂园区、城市都需要通过零碳解决方案实现再造。
“电池必须实现可循环，否则将带来新的环境问题，可持续发展也就无从谈起。”为了做到可持续，曾毓群介绍，宁德时代构建了电池全生命周期管理体系，涵盖上游供应链、电池设计、生产、使用、回收和再制造等各个环节，致力于最大化循环利用。据他透露的数据，去年宁德时代回收了10万吨废旧电池，重新生产1.3万吨碳酸锂，锂回收率达到91%，镍钴锰回收率达到99.6%。
曾毓群称，预计到2042年，全球生产的电池将一半用回收锂，一半用矿产，就能满足社会需求。未来或将不再开采新矿产资源，全部依靠回收资源进行制造，全面实现资源循环，打造“零碳”新合作。
此外，曾毓群透露，宁德时代正在联合全球电池联盟共同开展电池护照试点项目，并于去年1月发布了首批电池护照。不久之后，新的电池护照标准将会发布。
电池护照将包含电池全生命周期的材料来源、电化学组成、制造历史、碳足迹等数据，来证明电池的“可持续表现”。根据全球电池联盟官网显示，宁德时代是电池护照指导委员会中的成员之一。
电池护照已成为我国电池“出海”成功与否的关键因素。根据欧盟《新电池法》规定，从2026年起，新购买的电动汽车电池和大型工业电池，单个电池超过2度电时，必须拥有电池护照才能进入欧洲市场。
在全球“零碳合作”上，曾毓群表示，公司正通过LRS（License Loyalty Service）模式，向全球车企乃至电池企业提供专利许可、技术和服务支持。
中国生态环境部固体废物与化学品管理中心总工程师韦洪莲指出，退役动力电池同时具有资源属性和环境属性，完善且绿色高效的废旧动力电池回收与再利用系统是推动新能源汽车产业可持续发展的关键环节，对中国“双碳”目标的实现具有重要支撑作用。
“电池从生产到退役再到梯次利用以及电池资源的回收再循环，已经形成了系统体系，我们对电池的退役有了充分的准备。”中国科协主席、世界新能源汽车大会主席万钢说。
技术创新推动产业链重构
“固态电池的应用可能还需要三到五年时间，即便固态电池应用推进加速，磷酸铁锂电池也不会被淘汰。”比亚迪首席科学家廉玉波指出，固态电池是电池创新的热点，通过固态化，动力电池实现高比能和高安全，固态电池技术目前主要的挑战包括成本高等问题。
廉玉波指出，目前磷酸铁锂的技术参数已经有了很大进步，装车量占比超过一半。未来，固态电池可能主要搭载在部分高端新能源汽车上，在大量普及型新能源汽车上还是会搭载使用磷酸铁锂电池。
万钢表示，进入新的发展阶段，电池技术也在快速进步，高安全、高比能、宽温域的市场需求驱动动力电池性能不断提升。动力电池的技术路线一条是高比能路线，固液混合电解液有效地提高了能量密度，从当前的300Wh电解液提升到将近400Wh，下一步发展趋势是全固态电池，可以达到400Wh以上的功率密度；另一条是高性价比路线，如磷酸铁锂电池的进步，目前还部署了锂硫电池、锂空气电池、无稀有金属电池等基础研究，达到了可持续发展的路线。
巴西矿冶公司高级市场开发经理Luanna PARREIRA表示，对于未来能源转型的需求，应发展多种技术路线，如氢燃料电池、太阳能电池、超级电容、高容量电池等。一个比较好的解决方案是进一步降低对材料的依赖，同时延长动力电池的使用寿命，通过梯次利用到储能领域等提高动力电池的能源周期，最终实现综合效率提升。
氢燃料电池目前已经取得了重要进展。在2022年北京冬奥会零下20℃到25℃的场景下，开展了氢燃料电池示范应用。1200多辆氢燃料电池大客车完成了整个冬奥会运动员和乘客的保障工作。目前在山东半岛进行的“氢进万家”示范工程也在加快推动，通过氢能高速、港口、园区、社区建设及燃料电池汽车、船舶等示范运行，探索氢能在跨领域、多场景下的高效、安全利用新模式，加快形成可复制、可推广的氢能综合应用样板工程。
由海马汽车与中国航天科技集团合作建设的电解水制氢及高压加氢一体化站，目前已经取得了系列阶段性进展。全站占地面积2500平方米，主要由水电解制氢装置、多级增压机、高/中/低压储氢罐、70Mpa/35Mpa加氢机、冷却系统和控制系统等组成。该站严格按照GB50516《加氢站技术规范》建设，制氢和加氢实现自动化控制。
据介绍，站内水电解制氢产能为每小时50标方，每天可生产约107kg“绿氢”。外接氢气管束车，加注能力可达250kg/天，后续加注能力可扩至500kg/天，满足每天100台氢燃料电池乘用车的高压加注需求。
万钢表示，在中国道路交通碳排放中，商用车占比超过了52%。下一步设想是在当前跨城市示范应用的基础上，以长途客车、重载货车、厢式物流等商用汽车为重点来构建高速公路综合性示范线，沿途布局加氢设施，因地制宜开展绿电制氢、副产氢利用，逐步建成“就地制备”“就近输运”“西氢东用”等多样化氢能资源配置格局，形成跨区域氢能走廊，支撑氢燃料电池汽车规模性的商业化综合利用，来推动氢能源汽车的发展。
动力电池技术的不断发展，有力地支撑着新能源汽车与能源电力网络的深度融合，助力构建新型能源体系。
在一定层面，电池既是用电体又是储能体，作为移动储能的单元，国内正在鼓励充换电使用绿电和波谷充电，通过V2G（双向充放电）实现电网平衡，推进与清洁电力双向高效互动；同时，也利用高速公路周边空地来部署光伏发电，充换电站、加氢站在中国已经成为基础研究和应用抓手。
最近，多部门出台关于推动车网互动规模化应用试点的政策文件，从鼓励基础设施建设、鼓励车辆应用的角度，有力地推动车能互动，建设新型的能源体系。
工业和信息化部副部长辛国斌也指出，要支持龙头企业牵头建立攻关联合体，加快动力电池关键材料、车用芯片等基础技术，新体系电池、高功率长寿命燃料电池、高效混合动力发动机等零部件技术，轻量化、低风阻等整车设计技术攻关，助力全球技术发展。

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