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电池行业“十三五”发展规划(一)——化学电源市场及技术发展趋势总体分析

     “十二五”以来,环境和气候变化已经越来越成为全世界关注的焦点,各国政府都承担了加快减排温室气体CO2的历史责任,由此制定了加速能源结构的优化,特别是加快可再生能源的开发和利用以及新能源汽车的发展,从而推动了可再生能源发电与新能源汽车的产业化与市场化进程。其中,可再生能源中的太阳电池(光伏发电)属物理电源的范畴,作为与太阳能/风能发电的储能电池则包含了蓄电池,属化学电源(电池);同时,在新能源汽车中的电动汽车使用蓄电池、超级电化学电容器和燃料电池作动力(称为动力电池),也均属化学电源范畴,在这一应用中,化学电源已经上升至新能源层面。此外,各类型化学与物理电源(电池)在通信、交通、工业、医疗、家用电器、乃至航天与军事等装备与装置中都有越来越广泛应用和起到重要、甚至关键作用。因此,无论在我国,乃至在世界各国,化学与物理电源行业领域的技术与产业发展始终处于快速和持续发展势头。特别是我国在“十二五”期间,化学与物理电源产业规模发展迅猛,多数产品产量已处于世界同类产业的前列,其中,太阳电池、铅酸蓄电池和原电池产业规模更保持了世界之首地位。更值得提及的是,在“十二五”末期我国新能源汽车逐步走向市场,带动了化学电源中动力型蓄电池产业发展以及燃料电池研制、演示评价等,其中特别是促进了动力型锂离子电池产业和产业链的完善与快速发展。加之我国再生能源(风能与太阳能)的产业与市场逐步推广,又带动了一批储能型电池技术与产业的逐步形成与发展(诸如储能锂离子电池、液流电池、新型超级(铅碳)电池和超级电容器等)。

    分析表明,在未来世界再生能源与新能源强烈与持续发展势头以及我国政府将新材料、新能源、新能源汽车作为战略性产业的推动下,“十三五”我国化学与物理电源将面临更大的发展机遇,同时该领域的强烈国际竞争(技术与价格竞争),我国化学与物理电源产业也会面临更加严峻的挑战。不久前,我国政府发布了“中国制造2025”,提出从制造大国走向制造强国是今后五年中国制造业发展的必由之路。这也完全符合我国化学与物理电源产业的“大而不强的现状”以及行业进一步发展的强烈愿望。因此,在这次“十三五”化学与物理电源行业发展规划编制中,将以“中国制造2025”的基本要求为主线,提出2020年部分和2025年全面实现中国化学电源强国的目标。其中,特别提出将新能源汽车与再生能源储能直接关联的蓄电池产业(含整个产业链)作为重点,制定出“十三五”更为清晰的具体目标与可实施方案等,以确保我国化学与物理电源行业的健康、持续和快速发展,为我国“十三五”国民经济、社会、国防现代化全面发展提供重要支撑。

    一、化学电源市场及技术发展趋势总体分析:

    长期以来世界化学电源市场与技术方兴未艾,一直处于持续发展、甚至快速发展态势。

    1、蓄电池市场及技术发展趋势总体分析:

    在化学电源产业中,蓄电池产业已经成为行业最大的支柱产业,2014年世界蓄电池产量超过了40万MWh,销售额达到600亿美元。这正是传统应用市场需求持续增加、新型蓄电池(锂离子电池为代表)产业发展与新兴应用市场不断涌现,并快速增长的结果。特别是自2010年以来电动车电池入市和储能电池步入规模演示以来,相关产业更被划定为“新能源”产业,其技术与市场发展还得到了各国政府的高度重视与政策支持。

    作为世界上已有150年以上历史的铅酸蓄电池,当今依然保持了在传统蓄电池市场(汽车起动、通信、交通、工业、UPS等)的首要地位,且显示持续增长态势。市场规模由2010年的30万MWh增至2014年的35万MWh,销售额由2010年的不足300亿美元增至2014年的350亿美元。预计2015-2020年间铅酸蓄电池市场平均增长率可保持在5-10%,其中,在技术进步的基础上,高性能EFB(富液)电池和AGM电池已经用于汽车起停系统,且这两种电池目前都已经实现了大规模生产,成本虽略高于原先的起动电池,但是依然保持了铅酸蓄电池价格低廉的优势,体现了减排CO2的高性价比,产品颇受欢迎。至2020年,预期传统燃油车会下降至44%,微混车大升至50%左右。统计数据表明,2010年“起停”车仅有几万辆,但是2012年就已经上升至228万辆左右,超过了2011年所作预测。

    另外,铅碳或超级电池技术显著提升了电池寿命,显示了低成本储能应用的可行性。因此,普遍预期随着微混车辆普及和储能系统的进一步发展,它们成为了2020年前铅酸蓄电池市场持续增长的重要根基。

    对我国而言,铅酸蓄电池作为电动自行车的动力电池市场一直蓬勃发展,它已经成为小城市、特别是农村地区的代步甚至运输工具,这是中国形成的独有产业与市场。2011年我国电动自行车年产量已达到3000万辆,2014年进一步增至3500万辆,占全球80%以上,完全代表了电动自行车市场的发展趋势。此外,国内还开发了铅酸蓄电池为动力的微型或低速电动汽车入市,该车一般采用70V、11KW电机,价格仅为3万元左右。这种车辆并没有得到国家一级政府的认可或批准,但是诸如山东等省市接近农村地域,市场非常活跃。2014年局部地区市场上总计已超过了40万辆。在这些车辆上的动力电池大多也是类似电动自行车的阀控式铅酸蓄电池技术,使用寿命约3年左右。今后几年,这一应用市场依然呈现增长趋势。

    锂离子电池产业作为新兴产业,虽目前处于蓄电池市场规模的第二位,但却是市场发展速度最快的蓄电池产业,2004年至2014年的10年间,市场规模由7000MWh增至5万MWh,年平均增长率高达21%。2014年销售额已接近180亿美元,预计2015年将会分别达到接近6万MWh和250亿美元。

    锂离子电池不仅几乎100%占据小型移动电子产品(如手机、笔记本计算机、数码产品、电动工具、游艺机等),而且成为2010年正式上市的几款纯电动车与插电式电动车的动力电池。正是近几年发展特别迅猛的智能手机与平板电子产品以及电动车(电动自行车与电动汽车等)的市场需求旺盛,更是促使了锂离子电池产业与市场的持续快速增长以及电池技术的持续进步。尤其是平板电子产品与智能手机迅猛发展不断推动着铝塑膜包装锂离子电池的应用和向更高容量化发展,体积比能量已从原先的500Wh/L提升至550-650Wh/L,这直接涉及材料改性(高电压LCO正极材料的改性、电解质耐高压功能添加剂、减薄隔膜加陶瓷涂层等)与新材料(硅基负极)等的进展。电动车迫切需求的电池比能量与比功率提升、安全提升、寿命增长以及成本下降,它们都体现在各国政府重点创新研究计划的内容与研究目标中。

    自2010年纯电动车(含插电式电动车)宣布入市以来,均采用了锂离子动力电池,其单体电池的最高比能量水平达到了157Wh/kg和320Wh/l。但是为了确保车上运行的综合性能、特别是安全要求,其模块的值分别降至133Wh/kg与197Wh/l;系统更进一步降至82Wh/kg与73Wh/L。在应用与技术发展基础上,上述车载电池系统的比能量已经提升至100Wh/kg左右。另外,美国特斯拉Model S纯电动轿车的动力电源由6381只圆柱形18650电池组成,其标称容量为3.4Ah。2.6Ah圆柱单体电池比能量已超过200Wh/kg,而3.4Ah电池则进一步提升至250Wh/kg以上,是当今电动车上获得应用的动力锂离子电池中最高的。

    我国国家汽车产业振兴计划和《新能源产业发展规划》促进了新能源汽车动力电池的发展。2012年国家推出的《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》,到2015年全国新能源汽车累计产销量要达到50万辆。到2020年,我国新能源汽车年产能要达到200万辆,累计产销量达到500万辆。然而,自2009年“十城千辆”示范工程推出,至2013年底,我国实际销售新能源汽车仅为4.83万辆,其中2013年为1.76万辆,这大约相当于美国新能源汽车同年销量的18%。2014以来,为了有效推动新能源汽车产业发展,实现汽车产业的转型升级,政府在以往“十城千辆”新能源汽车示范工程基础上加大了推广力度,将试点城市及城市群扩展至39个。当年我国电动汽车市场销量激增超过300%,达到74763辆。而今年上半年市场销售已经达到71102辆,预计2015年电动汽车市场总量会超过20万辆。这些车辆全部采用锂离子电池,但是除大部分使用磷酸铁锂正极材料外,已经有使用三元正极材料的电池。前者比能量达到120Wh/kg左右,后者比能量则可超过180Wh/kg。

    报道表明,世界动力电池的技术发展方向都是以提高比能量和降低成本为主要目标,期待2020年单体电池比能量达到300-350Wh/kg,我国更提出1元/Wh的成本目标。

    碱性蓄电池产业中,金属氢化物镍电池在当今商品化混合动力汽车(HEV)保持应用和小幅增长,而镉镍电池因有毒而逐渐退出,仅保持在高功率电动工具用户的部分市场以及低价位无绳电话、电动玩具等市场的应用(市场呈年均降速2%的态势)。按照规定,2017年1月1日起电动工具将严禁使用镉镍电池。

    日本公司致力于发展了新型电池关键材料选择与优化配方,其中采用AB3.5储氢合金组成与结构为负极的AA型Ni/MH电池的低温性能,由原2400mAh提升至2013年的2450mAh;储存后的荷电保持率由采用AB5的50%/年提高至2013年的90%/年(接近碱性原电池的低自放电率);循环寿命由原1500次延长至6000次。

    2、原电池市场及技术发展趋势总体分析:

    原电池产业是化学电源行业的传统产业。其中,锌锰电池与碱性锌锰电池的单体形状与尺寸是国际标准化的、价格便宜,使用方便,自放电低,长期以来较好地保持了其传统市场,如作为家用电器遥控器、电子钟表、家用医疗器具(血压计、血糖仪等)、电动玩具、游戏机、手电筒照明、照相机、电动刮胡刀等的电源进入千家万户。原电池属易耗品,替换市场很大,它们已经进入了超市销售,该市场显示稳中有升,特别是随着家用电器和个人用电器具增加而增长,故大多数发展中国家是新的增长点。

    近十年来,锂原电池作为长储存寿命(低自放电)电池,已大量应用于各类自动计量用具做备用电源或电源,如智能电表、水表、气表、数字式测量器具(如卡尺)以及新近扩展的TPMS轮胎压力检测系统、ESL电子货架标签、有源汽车通行卡、ETC卡座、可穿戴产品-智能魔术手环、银行密钥(动态口令牌)、血糖仪、汽车遥控器、电动车GPS定位系统、可视银行卡等,这一市场依然处于持续扩大中。另外,近来的电子烟也需要一个小型高功率电池,仅使用一次随烟抛弃,新增电池市场量也不容小视。

    目前,原电池市场上主要是1.5V碱性与普通锌二氧化锰电池系列;3V锂电池系列(Li/MnO2、Li/CxF、Li/FeS2以及Li/SOCl2、Li/SO2)。锌锰电池技术进步体现在高容量化与无汞化,锂电池则体现在材料改善提升电池性能(如近年来纳米化材料研究进展,锂氟化碳电池的比能量由200Wh/kg提升了一倍以上)。

    3、燃料电池市场与技术进展简明分析

    直到2014年,燃料电池的产业与市场规模都还是很小的,与期待21世纪开创一个氢能经济新时代距离甚远。

    当今,燃料电池的市场应用发展主要集中于两个领域,首要应用就是燃料电池电动车,各国政府对此给予了财力和政策支持。

    德国把燃料电池发展按照成本、或催化剂用量等定义为一代、二代和三代,现在已经实现了第三代技术。日本政府以及各大汽车企业一直支持氢燃料电池技术开发,特别是日本丰田公司于2014年12月15日宣告其燃料电池轿车 “Mirai”生产入市。鉴于高压氢瓶的发展(70Mpa、122.4L),一次装满氢需3分钟,可以使燃料电池轿车行驶650km。定价为723万日元,政府补贴200万日元。目前日本加氢气站100个、2020年1000个、2030年预计达到5000个。

    燃料电池另一个应用领域就是作为固定电源,提供备用供电或及时供电/供热。2009年开始,日本已经推出一种共发电发热系统,它是由天然气作燃料,经由重整转化成氢源,提供给燃料电池发电与产热(热水),供家庭使用。2009年以来,累计供应量达到10万套。其中技术水平进步表现在转换效率和使用寿命,2009年转换效率(热加电)只有80%,寿命40000小时;2015年可达95%和70000小时。同时一套1kW系统的价格也从原先的330万日元降至160万日元。由此,日本实现了该电池系统的小规模产业化生产,并将其推向初步市场应用。

    从实用化与商品化角度分析,燃料电池作为电动车驱动电源,还有一系列问题需要解决,包括性能(如低温启动性能等)、寿命(间歇操作下累积10000h以上)、适应各种环境条件操作(如CO2和含硫浓度较高等)、成本达到可接受程度等。同时,解决氢气的低成本与安全生产、运输和高密度罐贮等问题。

    4、超级电容器市场与技术进展简明分析

    利用电极/电解质交界面的双电层来储能的超级电容器(“电化学电容器”)具有很快的充放电速度,即可以大电流充放电的能力,显示高比功率。国际上早已实现产业化,产品从法拉至数百法拉,主要用于计算机与各种小型用电设备的电源或备用电源(从0.1法拉至数法拉)。作为电动车或储能系统应用的超级电容器依然处于示范阶段,主要是由于其储电量有限,比能量很低。为了提升比能量,采用有机电解质提高工作电压至2.4V(也有提高至3V左右),这样比能量一般也只能达到20Wh/kg左右。近几年来,混合型(碳电极和反应电极组合)原理的超级电容器得到发展,比能量可以提高至40Wh/kg,甚至更高,但是比功率也随之降低。超级电容器技术发展需求依然是在保持高功率特点基础上,提升比能量,降低成本,以便扩展其在未来储能系统与混合动力车辆中的应用。

    5、储能电池(含钠硫与液流电池)市场及相关技术发展趋势分析

    作为新兴产业,储能在2008年之后一直保持较快增长,全球储能项目在电力系统的装机总量从2008年的不足100MW发展到2014年6月的761.8MW(不包含抽水蓄能、压缩空气储能及储热数据),年复合增长率达到193%。从地域分布上看,无论是项目数量还是装机规模,美国与日本仍然是最主要的储能示范应用国家,分别占40%和39%的全球装机容量份额。中国的累计装机比例从2013年的7%上升为10%,储能装机规模为57.3MW。

    从全球技术分类上看,钠硫电池的装机比例仍占第一位,为40%,但比2013年下降了6个百分点,锂离子电池的装机比例为35%,位居第二,排名第三的是铅蓄电池,占11%;在中国市场,锂离子电池的应用比例最高,超过70%。从全球应用分类上看,储能技术较多地应用于风电场/光伏电站、输配侧和辅助服务市场。

    当前,发达国家已经走在储能产业发展的前列,通过政府扶持、政策导向、资金投入等多种方式积极促进产业发展,意图建立行业技术标准,抢占全球储能技术和市场制高点。欧盟许多发达国家和东南亚的多个国家也出台了一系列投资补贴和税收优惠等政策,鼓励投资和引进储能技术、建设各类储能项目,研究和开发前沿储能技术,并在电力发电及输配、离网孤岛应用及智能微电网中积极推广和利用储能技术。美国、德国、日本为代表的海外储能市场已全面启动,开始进入第一轮爆发增长期。

    钠硫固体电解质电池曾经被看好是一种较为理想的储能电池,其电极材料资源丰富(钠取自资源丰富的海水,硫来自丰富的含硫矿源),价格便宜。2011年由于钠硫电池储能系统大量增加,储能系统市场总量曾达到1500MWh,是2012年的3倍。但2011年底前发生了两起钠硫电池储能系统着火事故,迫使日本NGK公司宣布停止生产,造成了次年的市场大幅度萎缩。

    基于长寿命的特点,液流电池在储能系统中的应用受到重视。其中,美国、日本、中国、德国都有了该电池储能系统的示范。而日本和中国是有了一定规模“全矾液流电池”产业化和相应生产能力的国家。

    6、电池关键材料及相关设备市场及技术发展趋势分析

    事实上,新型锂离子电池的快速发展离不开产业链的发展支持,同时产业链建设与扩展更离不开锂离子电池市场的发展要求。2014年,世界锂离子电池销售额中,终端模块与系统创造总价值为196亿美元,而单体电池为136亿美元,生产正极材料10.5万吨、价值25亿美元,负极材料5.7万吨、8亿美元,电解质4.4万吨、6.8亿美元,隔膜6.95亿m2、11.5亿美元,粘合剂7400吨、2亿美元,其它零配件8亿美元。由于电池市场的持续增长,2014年电池产业链各成分增长率都超过14%以上,其中电解质高达20%、隔膜达18%。

    “十二五”期间,我国锂离子电池所需不少关键材料,尤其是电解质的关键材料LiPF6和PP或PP/PE复合隔膜等,都实现了国产化与本地化,这些材料的进口昂贵,曾直接影响了我国锂离子电池的制造成本。2013年国产LiPF6具有明显的市场价格优势,售价约为50~120元/kg(或 $8~20/kg),而国外材料价格约$12~30/kg。“十二五”期间,我国电池设备(包括材料制造设备)制造突飞猛进,许多大型锂离子电池制造企业也在利用中国设备与进口关键设备,组成先进的自动化与高度可控的生产线(包括电极涂膜、电池卷绕或叠片、电池组装与定量注液、自动焊接或铝塑膜电池封装等)。此外,配合电动汽车成套电池系统的设计、制造与检测,仿真、电子控制与热管理等技术得到迅速发展,形成了我国自己的大型电池系统制造与配套体制。

    7、电池回收/再利用产业创立及关键技术发展趋势分析

    鉴于“十二五”期间对铅酸蓄电池行业进行了整顿、实行了许可证制度。其中,最主要的是推动了生产过程和回收过程中铅污染防治与严格治理,凡通过审查的企业方发给生产许可证。由此我国铅酸蓄电池行业出现了数量减少,生产/回收控制与管理上正轨的新局面。

    锂离子电池应用于电动车和储能系统,致使总量增加巨大,回收与再利用受到各国的重视。但是实现产业化还需持续深入研究,找出既清洁、又经济的回收与再利用技术方案,在进行规模示范基础上,创建相关回收或再利用产业。


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