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    中科院院士欧阳明高:2025年会出现电池产能过剩

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      任务小子

        2022年3月25-27日,中国电动汽车百人会论坛(2022)正式召开。会议以“迎接新能源汽车市场化发展新阶段”为主题,就新能源汽车产业发展、双碳目标、气候变化、供应链调整、信息技术与智能技术深度应用、人类出行方式变革、大国竞争与合作等诸多挑战和机遇等话题展开深度研讨。

        在26日下午举办的以“提升创新能力 抓住市场机遇”为主题的高层论坛中,中国电动汽车百人会副理事长、中国科学院院士欧阳明高围绕主题发表了演讲,主要观点如下:

        1.新能源汽车的普及实现 “从燃料密集型消耗性能源系统向材料密集型循环性能源系统的转变”;

        2.全球锂资源经济可采储量快速增加,随着需求的逐步走高,新的勘探量和可采储量还会持续递增,资源是完全充足的;

        3.需要重视电池回收的节能减排,大力开展电池回收再生方面的科学技术研究;

        4.2030年,预计国内全固态电池占比不会超过1%;

        5.电动底盘技术竞争继续升级,体现在电池系统与驱动系统集成化,底盘系统滑板化,成为电动乘用车新的竞争热点;

        6.最终颠覆性技术是轮毂电机。轮毂电机给整个底盘的制动、驱动、转向带来更加革命性的变化;

        7.要完善有序充电相关标准、配套机制、运营模式,还有技术标准化的相关准备工作。

        以下为演讲实录:

        中国新能源汽车已经走过了从培育示范期到商业化成长期的过程,目前进入了规模产业化高速增长期;产业发展从政策补贴驱动到市场政策双驱动,正在进入市场竞争驱动为主导的新阶段;市场从需求不足到供不因求与供应链安全问题;市场化领域从乘用车电动化大规模推广到商用车电动化起步;核心技术规模产业化从上个十年的电池到今后十年的燃料电池;新能源汽车的量变促进了汽车产业的质变,汽车电动化引发了交通全面电动化的起步,新能源汽车发展带动了新能源革命全面启动,2021年被认为是电化学储能市场元年和光伏制氢元年,新能源汽车的普及将与其形成强耦合的协同发展,实现 “从燃料密集型消耗性能源系统向材料密集型循环性能源系统的转变”。

        新能源汽车市场快速发展的新阶段,也会遇到一系列新的关键技术问题。在动力电池方面会面临供应链安全、材料成本、回收利用等问题;在充电方面会面临基础设施普及、充电负荷调控、快速补能、以及电力绿色化等问题;在氢燃料电池与重型卡车电动化发展方面会面对产品定位、成本与寿命、车载储氢、加氢站等问题;在电驱底盘平台方面会迎来专用电动底盘、电池与底盘集成、电机-电控-传动三合一驱动桥及分布式驱动、新型滑板底盘与非承载式车身等创新;在共性基础器件方向包括芯片和材料(膜,碳纤维,催化剂等)等;在电动汽车售后服务体系方向会更深刻面临保险和二手车价值评估等问题。

        今天我重点讲三个内容。第一,基于新能源汽车发展的孕育、成长、增长三个阶段,重点展望电动乘用车未来;第二,分析目前面临的三个挑战,包括电池材料涨价、整车技术竞争加剧以及充电困难;第三,提出三条发展路径,就是电池创新、底盘创新和充电创新。

        1、电动乘用车的发展与展望

        我早期对中国新能源汽车产业化历程有一个预测,包括产业孕育期、导入期、成长初期、成长期,最后爆发增长期。从实际发展来看,我原先的估计偏保守,2021年已经实现了从成长期到爆发增长期的过渡,比以前的预测提前了五年。

        简要回顾一下发展过程,产业化孕育阶段和导入期持续到2013年,当年产量不到2万辆。这一阶段开展了北京夏季奥运会的科技示范以及“十城千辆”示范,期间最关键的时间点是2012年,我国发布了《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》,确立了纯电驱动的新能源汽车产业化战略,这是重要的产业化战略起点。

        2014年总书记指示“发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路”,产业进入成长期。新能源汽车2014年销量8万,2018年销量127万。到2019年,受补贴退坡的影响,2019年与2018年比反而有点下降;到2020年峰回路转,喜出望外;2021年销量超过350万辆,超出预期,但符合逻辑;2021年是一个新阶段的标志。

        总结电动汽车销量和进入快速发展新阶段的必然性,我觉得有三个因素:

        1)市场因素

        首先,电动汽车消费吸引力高。电动车的操控性能的优越,电动车经过多年推广产生的品牌形象提升,新车型的大量引入和造型相比传统车的新潮。其次,新能源汽车车型不断丰富。细分市场和产品结构上出现了新的“两头挤”现象,微型车已经基本被电动车占领,豪华车也基本由电动车主导,中级主流轿车又出现了比亚迪超级混动这种纯电里程超过100公里的插电式电动车。第三,全生命周期综合成本降低,也是用户购买新能源汽车的主要因素。

        2)技术因素。

        首先,电池的续航里程、安全、寿命问题基本得到解决。电池在本征安全、主动安全、被动安全等综合安全体系取得了巨大的进步,与电池安全相关的关注焦点已经从电动汽车的转移到储能电池的安全和电动自行车的安全。其次,电驱动系统的技术进步、热管理系统的技术进步,各种各样车载和充电加热技术出现,全气候电动汽车慢慢成为现实。第三,驾驶操控系统逐步开始智能化,辅助驾驶的普及,电动化底盘、轻量化车身以及智能充换电和能源补给系统等各种各样技术,使电动汽车在技术方面基本能够满足需求,至少是乘用车已经完全可以满足需求,综合性能可以超越燃油车。

        3)政策因素

        “双碳”目标实现将会加快电动化转型和新能源转型。首先,电动汽车将保障汽车的碳达峰在2030年前实现。我们的测算表明,2021年电动汽车每公里的碳排放大约为70克,与燃油车每公里170克的碳排放相比,纯电动车的排放基本上只是燃油车的40%。这个测算的数据是基于生态环境部《企业温室气体排放核算方法与报告指南发电设施-2022年修订版》分布的全国电网的排放因子为每千瓦时581克,《中国汽车低碳行动计划报告2021》分布的汽油生产碳排放因子和汽油燃烧转换系数分别为487 克/升和2370 克/升,乘用车油耗和电耗参考《节能与新能源技术路线图2.0》预测数据,分别为6.176升/100公里和12.2千瓦时/100公里。以此为依据并考虑车辆规模的发展趋势,乘用车的碳排放总量预计会在2030年之前提前达峰,峰值低于6亿吨。其次,2030-2035年后,电动车将开始成为负碳排放的单元。基于车网互动技术(V2G),电动车作为一种储能装置实现对风力和光伏等零碳新能源波动电力的储能,抑制火电厂的碳排放,带来减排效应,这具有标志意义。也是我国向零中和转型,新能源汽车的负碳效果会得到一系列的政策支持方面的利好。

        因此,我们估计,2021-2030年我国新能源汽车市场进入快速增长的新阶段。总体趋势是快速增长,当然周期性波动还会有的。采用工信部、国家统计局的数据,我们团队的预测结果表明,燃油车销量的峰值会出现在2022-2023年,之后燃油车销量会持续下降,而新能源车在2030年左右销量与燃油车基本持平,占汽车总销量的一半,与中国节能与新能源汽车技术路线图的目标大体相当。

        2、电池材料涨价与电池技术创新

        随着全球电动汽车进入高速发展阶段,电池行业也迎来了飞速发展。产能急速膨胀,基于产业投资信息预测,我国电池产能在2023年可能达到15亿千瓦时(1500GWh),2025年可能达到30亿千瓦时,电池出货量2025年预计会达到1200GWh,其中百分之七八十会用于国内市场,还会有百分之二三十出口海外市场。我们预估2025年会出现电池产能过剩。

        由于新能源汽车的爆发式增长,电池价格会有上涨,再往材料领域传递,就有更大的放大效应。今年材料涨价的一个原因就是整车需求的增长,电池预期走高,企业扩大产能、增加储备。另外的影响原因是供给延迟,因为典型的矿石生产的碳酸锂,产能释放周期是3-5年,卤水提锂周期更长;另外疫情冲击影响锂资源生产,交通运力影响供应。本轮价格上涨和2016-2018年锂资源上涨的原因基本相同。当时,我国新能源汽车从孕育期到成长期也导致了锂价格上涨过程,现在从成长期到快速增长期又是这么一个过程,这两个过程很像,就是需求和预期的增长,只是这次比上一次更加强劲,加上疫情的影响,所以幅度更大。

        从供需面看,恐慌性库存储备带来的需求放大是暂时的,随着碳酸锂供应能力的提升,将逐步回归基本需求面。预计两三年后有可能恢复完全的供需平衡,考虑到贸易环境的恶化,以及俄乌战争带来的镍价炒作,为了供应安全,要采取有利措施打击囤积居奇,抑制镍价格短期大幅波动,以免今年的新能源汽车销量受到影响。

        首先从供应侧来看,全球锂资源经济可采储量快速增加,2005-2010年提升400%,现在全球经济可采储量2200万吨,以NCM811电池为例可以生产227TWh动力电池,每辆车100千瓦时算电池,可装超过22.7亿辆。随着需求的增加,新的勘探量和可采储量还会继续增加,资源是完全充足的。

        预计2030年之后电池材料回收将形成规模;2050年前后,原始矿产资源和回收资源的供给量将达到相当水平;更长期来看,回收资源将逐步完全替代原始资源需求。由于材料价值的上升,回收产业迎来机遇。我们估计2025年将有125个GWh,也就是1.25亿千瓦时的回收量。电池材料生产与回收能耗排放较大,需要重视电池回收的节能减排,大力开展电池回收再生方面的科学技术研究。

        目前主要有三种电池回收方法。首先是物理回收,通过回收可以降低整个电池生产链的碳排放;其次是火法回收,但该回收方式减碳量少,且能耗比较大;最后是湿法回收,湿法的能耗会降低一些,但是有液体溶剂污染物排放等问题。现在最推崇的是物理回收,既可以降低碳排放,也可以降低其他污染物,这也是目前回收技术创新的最大领域,超声波回收、等离子回收都是近期报道的新技术。

        使用绿电是电池生产与回收碳排放可以进一步大幅度下降的根本途径。所以电池产业应该往绿电区域集聚,比如西部。四川就是一个集聚地,目前已经有五百个GWh的产能,宜宾一个地区就有200GWh,是全球单一最大的电池生产基地,也是电池材料的集聚区、新能源的集聚区,是非常好的未来电池生产基地。

        另外一个方面,要开发新材料体系。按时间轴来看,未来电池材料体系的发展趋势主要如下:2025年产业化目标,批量生产的电池应该普遍到达350瓦时/公斤,现在平均不到300瓦时/公斤。这个体系我们叫液态体系,主要包括常规锂离子电池材料、固液混合材料、还有钠离子、未来的钾离子等液态电池材料体系。

        2030年的目标是达到400瓦时/公斤,全方位实现产业化,该阶段称之为液态到固态的过渡,包括液态高电压、厚电极、少电解液;正极高镍如Ni95,负极硅碳;以及准固态电池体系。2030年应该是转向全固态电池发展的一个关键节点。在2030年,我们估计国内全固态电池占比不会超过1%。

        2035年的目标是达到500瓦时/公斤,实现产业化。包括全固态电池,锂硫电池以及高容量富锂锰基材料,而且电压窗口会提高到5伏。现在说的500瓦时还不是产业化的,不是实车正常使用的,而是实验室阶段的或者特殊用途的。

        再来看两个电池坐标,一个是比能量,一个是寿命。基于大规模储能功能的考虑,电池寿命的要求也会越来越长,目标是一万次,比能量目标是600wh/kg,当然还要考虑成本。负极材料寿命从长到短以此是石墨、硅碳、硅、到锂金属,锂是高比能量的,但是寿命会相应降低。正极材料铁锂比能量低、三元较高,最高的是富锂锰基。

        如果转换坐标,把比能量和寿命作为两根轴,我们可以看清楚未来的多元技术路线。第一条是高比能量和低成本液态液态技术路线,正极高镍三元到富锂锰基,负极从高比例硅碳到锂金属,比能量目标为500wh/kg,但寿命偏低;第二条技术路线是液态折中路线,兼顾比能量、安全和成本和寿命,高镍正极体系,寿命不降比能量增加50%,或者比能量不降寿命增加3倍以上逼近10000次循环;第三条就是基于铁锂的高安全液态路线,成本最低、长寿命可到10000次循环以上。近年来的研究表面,液态路线可以走到500瓦时/公斤,液态三元也可以做到一万次循环,不是仅磷酸铁锂可以做到一万次循环。第四条是固态技术路线,就是高比能量、高安全,从现有的液态到固液混合到全固态。第五条路线是从钠离子出来的,将来有钾离子等。

        在单体电池结构方面也在不断创新,主要是减少附件重量。圆柱电池,以特斯拉为代表,从18650到21700再到4680,以提升单体容量和提高比能量。再比如从软包、方形硬壳到刀片电池,以及短刀和One-stop,均属于国内创新。

        在电池系统方面,结构创新的最大的趋势是由传统电池包的电芯、模组到电池包的组成方式逐步向去掉模组,再去掉整包的方向进行发展,从而构成CTC(单体与底盘深度集成)、CTV(单体与车辆深度集成)。这是电池系统创新的路径,逐步减少附属的重量和体积,使电池系统比能量不断提升,同时也带来底盘结构的变化和底盘技术创新。

        3、产品竞争加剧与底盘技术创新

        新能源汽车的兴起引发了汽车产业的一场技术革命,自主品牌八仙过海彰显实力,新造车势力来势凶猛充满活力,合资企业蓄势待发即将发力。今后五年是重要窗口期,市场高速增长、竞争不断加剧。我认为,整车企业在竞争中保持优势的关键之一是应对新一轮电动化底盘平台技术带来的整车设计制造技术变革、价值链重构和产业生态演化。

        从燃油汽车到电动汽车到智能汽车,底盘会相应发生变化。传统底盘、电动底盘、智能底盘,其制动、转向、悬架也会发生相应的变化。现在的悬架已经是主动悬架,比如今年参加百人会展览的车很多都是空气悬架。也就是说,现在车身设计、智能座舱、辅助驾驶技术基本成熟了。电动底盘技术竞争还会继续升级,体现在电池系统与驱动系统集成化,底盘系统滑板化,这些技术将成为电动乘用车新的竞争热点。

        电动汽车的底盘平台在快速迭代,刚开始的改装车完全是燃油车底盘,到进一步优化到电动车专用底盘,然后到CTV,特斯拉是比较典型的代表。

        现在最具突破性的底盘技术是滑板底盘。底盘有两条技术路线。一条是传统车厂为代表,更多的采用改进型技术路线,继续用承载式车身。另一边,新造车势力更多采用变革性技术路线,就是滑板底盘,用非承载式车身,美国已经出现了几家代表性公司,其中Rivian市值已经到一千亿美元。滑板底盘一般采用非承载式车身,电池包与底盘一体化集成式驱动系统,包含五大核心技术,我只讲其中的电芯底盘一体化(CTC)和新型电驱系统。

        CTC有两种方案,一种是电池包整体吊装进入底盘。另外一种直接在底盘上集成,没有上面的承载式框架。国内已经有一些开发,比如宁德时代2025年要推出CTC。

        新型驱动系统需要高度集成化、轻量化、小型化,就是集中驱动采用电机-开展-减速三合一。驱动系统还有一种分布式驱动形式,滑板底盘大都采用了分布式驱动,比方双电机驱动、三电机驱动。现在三电机形式又出现了集中电机和轮边电机结合,还有全部用轮边电机的。

        我们认为,最终颠覆性技术是轮毂电机。轮毂电机给整个底盘的制动、驱动、转向带来更加革命性的变化。国外开发的所谓的e-corner,驱动、制动、转向、悬挂于车轮集成为独立单元。一辆四个轮子四个独立单元,这是颠覆性的,国外已经有很多厂家在研发这种技术。

        清华大学我的团队也在做轮毂电机,轮毂电机在出口的大功率摩托车和商用车上都开始使用。大功率摩托车使用了一个100kW的轮毂电机,如果轮毂电机来做滑板底盘有很多好处。第一,空间和容量增加;第二,驱动、制动都靠轮毂电机;第三,传动效率提高;第四,灵活,可以原地打转;第五,更好支持全自动驾驶。这是和全自动驾驶非常贴切的一种电动化底盘。

        4、充电难题与能源技术创新

        电动汽车充电方面的问题是慢充普及率跟不上市场的增长速度;长途出行的临时补电速度太慢,排队时间长,所以用户抱怨电动车变成了“电动爹”;大量电动汽车无序充电带来城市供电的负荷问题,比如北京、上海、深圳等城市必须进行有序充电;电动汽车现有充电标准不大适应新的需求,比方说在高速公路长途旅行应急补电,诉求是充电5分钟满足200公里行驶里程需要,这需要350千瓦大功率快充;还要满足国际贸易的统一要求,车辆出口要和国际标准统一。

        首先,充电创新标准先行。Chaoji是中国首创并主导的一套具有自主知识产权的直流充电解决技术方案,它兼顾过去(可直接匹配现有GB系统)、面向未来(350千瓦大功率快速充电,小功率充电直流化与车网互动V2G)、引领世界(与IEC国际标准同步,推动中国企业走出去,推动国际接口标准统一)。第一阶段Chaoji示范项目已完成:2019年先后在北京等8个城市建成投运大功率充电示范工程。第二阶段Chaoji示范项目今年投运:正在京沪高速建设ChaoJi充电站,预计2022年2季度建成投运。立项国家标准GB/T 20234.4(连接组件), GB/T 27930(通信协议), GB/T 18487.1(充电系统);GB/T 18487.1和27930已两轮征求意见,GB/T 20234.4已征求一轮意见,预计今年三季度形成报批。这一充电标准升级将给超级快充与充换互补和有序慢充与车网互动的发展带来巨大机遇。

        关于有序慢充与车网互动技术。它包括单向有序充电V1G、车网能量双向流动V2G,车联万物V2X。V1G,就是单向有序充电,如充电放到后半夜用电谷底;V2G,就是车辆可以反向供电,可充可放,给局域网供电和大电网供电;V2X,是Vehicle to everything, 包括车给车供电、给楼宇供电、紧急供电、家庭备用电源等。应当注意的是实现V2G的前提是电动车在停止运行时要通过双向充电桩与电网联接,如果用换电模式,车载电池的储能功能难以发挥。同时车网互动需要用户、企业、地方政府共同参与构建能源互联网平台,三方都有收益,还具有推动新能源发展的绿色效益。

        车网互动有多大潜力呢?按照中国节能新能源汽车路线图,2040年有3亿辆新能源车保有量,以每辆车平均65千瓦时电池容量,车载电池的储能容量有200亿千瓦时,其规模与2020年中国每天消费的总电量相当。若进一步考虑出行需求,乘用车每日可灵活参与电网调度的平均电量为100亿千瓦时。更为有意义的是车辆的功率调节潜力,因为负载是通过功率体现的,功率多少取决于双向充电桩的功率大小。如果按照15千瓦算,根据日出行概率分布,3亿辆新能源汽车对电网功率支撑的能力达到30亿千瓦左右,现在全国的装机容量才23.8亿千瓦。

        仅仅有序充电就可以把新能源汽车用电从无序到有序,大幅下降电网负荷。当前,面向新能源为主体的新型电力系统建设,电化学储能电站扩产上升非常快,用的与电动汽车类似的锂离子电池。随着电动汽车保有量的快速增加,2030年将达到8000万至1亿辆。我们预计,到2030年之后,随着V2G普及发展,其容量将超过电网的电化学电池储能容量,在未来的电力系统中电动汽车将与储能电站共同担负稳定电网的重要责任,并有望成为分布式储能的主体。关键问题是如何把亿万辆车的电池聚合起来,这是典型的市场问题,简单说来就是要像股票市场和期货市场一样,构建一个广大车主参与的“炒电”市场,电动车主利用峰谷电价差,低价给车充电,高价给电网放电,赚取价差。

        车网互动还有很多技术问题需要研究,从空间尺度看,在底层是和车相关、和充电相关,是属于硬件层面;中间层的是聚合,这是聚合商的业务,其实是能源互联网平台、信息平台;上层是发电侧、电网侧的调度。从时间尺度看,包括高频、中频和低频的动力学与协调控制与优化管理问题。与车网互动相关的利益主体多,协调难度大,政策与法规层面的事情比技术更难。 因此,有序充电和车网互动不是一天能建成的,将经历从无序充电到有序充电、到车家互动、到车辆和微网互动、最后到大电网互动的过程。今后五年是孕育突破期,关键是要完善有序充电相关标准、配套机制、运营模式,还有技术标准化的相关准备工作,在电动车占比高的重点区域实现V2G商业试点。现在深圳准备进行试点,其优势是电动车占有率比较高,城市管理水平比较高,已经开始准备对V2G进行补贴。希望在其他地方比方北京、上海都可以做这件事情。

        理想的充电服务体系除了随时随地可以慢充进行车网互动,还需要在交通干线进行快充快换,这里的快充是。首先,换电模式目前的主体是重卡,49吨的重卡只能换电。工信部已经开始重卡换电示范,有13个试点城市。业内估计今年换电重卡销量会达到2-3万辆。当前换电的主要问题就是要解决互换互联问题,我们成立了“电动重卡换电联盟”来促进这件事。目前主要针对接口和电压制式进行行业标准规范的制定。在接口方面,无论是吊装式还是侧推式,均要实现接口统一,达到既可以吊装也可以侧装。还有是电气接口,1500伏800安,今年有望进行标准修订。

        在此基础上,可以进一步实现快充和快换的耦合互补。建设电动汽车时代的“加油站”。具体而言,就是把现有的加油站改造成“光-储-充-换一体化互补型智慧能源系统”,这里面重要的是卡车快换,快换的备用电池给轿车超级快充。因为卡车快换备用电池很多,光伏给它充电。轿车350千瓦大功率充电直接从电网取电,电网会超载。北京的电网的平均负荷是两千多万千瓦,有七万辆车同时大功率快充电网就会崩溃。所以必须要通过储能电池放电。储能有两种方式,一种是专用储能电池,另外一种是用换电重卡的备用电池给轿车充电。按照这个思路,我们和壳牌合作已经建设了全球第一个综合示范站。已经在张家口冬奥会成功示范。下一步将会在全国推广。

        以上就是我的报告,谢谢各位!来源:蓝鲸TMT

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