锂电池十年间成本狂降 已达到临界点

储能世界网讯:1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。

2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。

3首款采用商用锂离子电池的电动汽车是2008年问世的特斯拉跑车Roadster,它使用现成的笔记本电脑电池为其汽车供电。

4欧美正出台产业政策促进各自区域性电池技术发展,电池驱动的电动汽车的创新才刚刚开始,ICE时代即将结束。

1991年,可充电锂离子电池首次通过手持摄像机投入商业使用,随后又被用在笔记本电脑上。十年后,电池通过为智能手机和可穿戴设备供电,推动了苹果等科技巨头的崛起,现在它们又被应用到电动汽车领域。在这个过程中,电池的基本技术几乎保持未变,即锂离子通过液体从阴极移动到阳极,然后再返回。

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。美国康涅狄格州电池初创公司Cadenza Innovation的首席执行官克里斯蒂娜·兰佩-奥纳鲁德(Christina Lampe-Onnerud)说:“未来仍会有大量的创新。”这家公司设想将来的建筑物可以拥有自己的电池,为它们提供在高峰时间使用的电力储备,以降低成本。

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,但正在储能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,储能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。

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。

通用汽车电动汽车项目主管肯·莫里斯(Ken Morris)在去年9月份表示,他预计五年内电动汽车和燃油汽车的制造成本将持平。大众汽车、特斯拉和通用汽车等汽车制造商正在进一步压低电池价格,它们正竞相锁定为数百万辆电动汽车提供动力所需的巨大产能。电动交通的兴起也吸引了许多最大的科技公司,包括苹果和亚马逊。

德意志银行的数据显示,在全球范围内,电池驱动的电动汽车占全球最大市场(美国、欧洲和中国)去年售出所有新车的4%左右,高于2017年的1%左右。2025年,该行预计这一市场份额将达到22%。

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,因为没有办法储能供下个时间段使用。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能。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:“这为电池储能提供了一个巨大的机会。”

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储能的繁荣。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能项目的产量。硅谷清洁能源公司和中央海岸社区能源公司表示,这些电池储能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。

硅谷清洁能源公司首席执行官吉里什·巴拉钱德兰(Girish Balachandran)表示:“我正在以一种完全不同的方式考虑电网。”他预计,随着更多的风能和光伏储能在电池中,天然气在该公司位于加州的投资组合中所占的比例将会降低。他说,随着价格持续下跌,他正在设想部署电池的新方法,以确保可靠的电网运行。

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。

吉恩·贝迪切夫斯基(Gene Berdichevsky)曾是特斯拉跑车的电池系统架构师,现在是加州阿拉米达县(Alameda)致力于改进电池技术的公司Sila NanoTechnologies创始人兼首席执行官。他说,将存储成本降低到每千瓦时50美元可能创造5000亿美元的价值,“将会有大量的科技创新应用于此”。

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。上个月,詹妮弗·格兰霍姆(Jennifer Granholm)在参议院作证以出任能源部长的听证会上表示,她对国内生产感兴趣,并说:“我们可以从亚洲购买电动汽车电池,也可以在美国生产。”

图6:Sila NanoTechnologies公司的吉恩·贝迪切夫斯基手持一罐黑色粉末状材料,这是该公司寻求改进电池技术的一部分

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。

尽管如此,汽车专家认为,电池驱动的车型最终将占上风。毕竟,这种车型在制造上比燃油车简单得多,运动部件也更少。汽车业顾问桑迪·门罗(Sandy Munro)说,一个多世纪以来,内燃机(ICE)的设计近乎完美。他每年拆解大约24辆汽车,将它们拆分成部件,研究材料、技术和组装。相比之下,电池驱动的电动汽车的创新才刚刚开始。他说:“目前,我们基本上只触及了皮毛,ICE时代即将结束。”

 

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