• 简中
    • 繁中
  • 注册
  • 查看作者
  • 全球新型电池发展趋势及应用场景分析

    一、电池发展史

    01.从伏特堆到锂离子电池

    1799年,意大利物理学家Alessandro Volta发明‌第一款电池(Vlotaic Pile伏特堆),他利用锌片(阳极)和铜片(阴极)以及浸湿盐水嘅纸片(电解液)制成‌电池,以证明‌电是可以人为制造出来嘅。

    大约40年后,以为英国化学家John Frederic Daniel通过变换电池形式,解决‌伏特堆放电时产生嘅氢气气泡问题(由于发生化学反应产生‌氢气,从而导致电池内部接触不良),此时电池可以达到1V电压。

    1850年,法国物理学家Gaston Planté发明‌铅酸电池(阳极为铅、阴极为铅氧化物、硫酸溶液为电解质),利用铅不剩只做到‌极低嘅成本,仲够晒提供12V嘅电压,且能够充电循环使用。呢类电池被广泛使用,车载蓄电池、早期电动车等都采用呢类电池,截止2014年,全球约售出‌4470万块铅酸电池。

    1899年,瑞典人Waldemar Jungner发明‌镍镉电池(镍为阴极、镉为阳极,采用液体电解液),也就是个钟头候经常会用到嘅随身听、四驱车所用嘅充电电池,为现代电子科技打下‌基础。不过呢类电池有个巨大嘅缺点,也就是老一辈人经常会讲畀你充电池必须用完才能充电嘅原因,由于其化学特性嘅原因,如果未用完电量就充电,会发生“镉中毒”现象,导致电池“记忆”‌“最低电量”,导致下次充满电量缩小,所以渐渐就被市场淘汰嘎啦。

    1950年前后,加拿大工程师Lewis Urry发明‌而家非常常见嘅碱性电池(锌为阳极、镁氧化物为阴极,氢氧化钾为电解液,也就是碱性电池名来源),就是平时生活中常用嘅一次性电池,绝大多数都系不可充电嘅,当然也有特殊设计嘅碱性电池能够充电,甚至仲够晒通过按压电池表面显示家阵时电量。全球售出超过100亿粒。

    1989年,第一款商业镍氢电池问世(阳极为金属氢化物或储氢合金、阴极为氢氧化镍),耗时超过20年研发,由戴姆勒-奔驰和德国大众赞助。通过新嘅配方,镍氢电池相较于镍镉电池提高‌能量密度,并且污染减少。更重要嘅一点,镍氢电池没有“记忆效应”,所以不必像镍镉电池一样担心使用问题。除咗大量被使用于数码产品之外,仲要被早期嘅丰田Prius混动车所采用。

    1991年,索尼公司推出‌第一款商业锂离子电池(阳极为石墨,阴极为锂化合物,电极液为锂盐溶于有机溶剂),由于锂电池嘅高能量密度和配方不同能够适应不同使用环境嘅特点,被而家广泛使用。

    全球新型电池发展趋势及应用场景分析

    图一:电池发展时间线

    (资料来源:公开资料,本翼资本整理)

    上述多种电池历经近200年嘅发展先至走到锂电池阶段,其目嘅就是为‌更为轻便、小巧、能量更高,锂离子电池在能量密度、循环寿命方面以及高、低温性能显著嘅提升,弥补‌第啲二次电池在消费电池领域嘅痛点。

    全球新型电池发展趋势及应用场景分析

    表一:二次电池性能对比

    (资料来源:公开资料,本翼资本整理)

    近年来,随住对可再生能源利用嘅巨大需求和对环境污染问题嘅日益关注,二次电池(又称可充电电池或蓄电池)呢种能够将第啲形式能量转换成嘅电能预先以化学能嘅形式存储下来嘅储能技术,喺新一轮能源变革中迎来新嘅发展机遇。

    02.锂离子电池嘅前世今生

    锂离子电池于二十世纪七十年代在欧洲开启研究,1991年在日本实现商业化,目前,全球锂离子电池嘅生产制造规模达到‌空前水平,2019年嘅诺贝尔化学奖畀予‌锂离子电池极高嘅肯定。

    能够可逆循环嘅锂离子电池正极材料有锰酸锂、钛酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂等一系列三元衍生体。但由于大部分能量性能相对较低,三元锂电池和磷酸铁锂电池相对第啲种类有较大优势,是动力电池嘅良好选择。

    全球新型电池发展趋势及应用场景分析

    图二:锂离子电池嘅分类

    (资料来源:公开资料,本翼资本整理)

    (1)钴酸锂电池:高比能量使钴酸锂成为手机,笔记本电脑和数码相机嘅热门选择。钴酸锂嘅缺点是寿命相对较短,热稳定性低和负载能力有限。钴酸锂采用石墨负极,其循环寿命主要受到固体电解质界面(SEI)嘅限制,主要表而家SEI膜嘅逐渐增厚,和快速充电或者低温充电过程嘅负极镀锂问题。

    (2)锰酸锂电池:锰酸锂嘅功率大但是容量小,容量大约比钴酸锂低三分之一。同时远比钴酸锂电池更安全,通常同锂镍锰钴氧化物(NMC)混合,以提高比能量并延长寿命。

    (3)钛酸锂电池:钛酸锂嘅标称电池电压为2.40V,可以快速充电,并提供10C嘅高放电电流。循环次数高于常规锂离子电池嘅循环次数。钛酸锂是安全嘅,具有出色嘅低温放电特性。

    (4)镍钴锰酸锂电池(NCM):最成功嘅锂离子体系之一是镍锰钴嘅正极组合。同锰酸锂类似,呢个体系可以定制用作能量电池或功率电池。NMC是电动工具,电动自行车和第啲电动动力系统嘅首选电池。镍基系统比钴基电池具有更高嘅能量密度,更低嘅成本和更长嘅循环寿命,但是佢们嘅电压略低。

    (5)镍钴铝酸锂电池(NCA):NCA是锂镍氧化物嘅进一步发展,加入铝赋予电池更好嘅化学稳定性。高能量密度以及良好嘅使用寿命使NCA成为EV动力系统嘅候选者。高成本和低安全性却有负面嘅影响。

    (6)磷酸铁锂电池:磷酸锂具有良好嘅电化学性能和低电阻。这是通过纳米级磷酸盐阴极材料实现嘅。主要优点是高额定电流和长循环寿命;良好嘅热稳定性,增强‌安全性和过充承受能力。磷酸锂具有比第啲锂离子电池更高嘅自放电,呢可能会引起老化进而带来均衡问题。

    全球新型电池发展趋势及应用场景分析

    表二:锂离子电池性能对比

    (资料来源:公开资料,本翼资本整理)

    二、新型金属电池技术发展

    01. 锂离子电池嘅进一步发展

    1991年索尼推出第一款商业液态锂离子电池后,液态锂离子电池进入快速发展阶段。处于对更高能量密度和更高安全性嘅追求,各国都喺度加紧对新型电池技术嘅研发以期占领技术高地。动力电池作为锂电池最大嘅应用场景,2020年中国车用动力电池出货量为80GWh,同比增长12.7%,占中国锂电池市场56%嘅份额,远超第啲应用终端。锂电池虽为目前最佳选择,但能量密度其实已经接近极限,所以对于液态电解质嘅锂离子电池嘅改进主要集中在提高电池空间利用率和降低成本上,其中对于三元锂离子电池,仲要要集中处理热失控引起嘅爆炸问题。

    1.1 三元锂电池热失控问题改进

    三元电池由于密度更高,热稳定性相对差,某啲极端环境下容易发生热失控起火,成为电池企业安全技术必须迈过嘅一道坎。所以在动力电池安全技术开发上,车企和主流电池企业开始将目标集中投向“三元电池系统不起火”。

    宁德时代:2020年10月,宁德时代表示已开发出“只冒烟不起火”三元电池,通过高安全电解液、热扩上隔离技术,直击高能量密度、高安全性嘅痛点,可以确保电池包不燃烧,即便一个电芯起火,成个电池包只冒烟。

    蜂巢能源:2020年12月,蜂巢能源在其电池日上对外发布‌热失控系统性解决方案——冷蜂,通过材料、电芯、电池包、监控系统四大层级嘅原创技术彻底解决电池系统嘅热失控问题。

    广汽埃安:3月10日,广汽埃安发布新一代动力电池安全技术——弹匣电池系统安全技术,搭载该技术嘅电池包成功通过针刺热扩散试验,实现三元锂电池整包针刺“不起火”。弹匣电池从电芯、系统、散热、BMS各个层级,打造三元电池包嘅安全、高效保护。弹匣电池相对于同类普通电池,体积能量密度提升9.4%,重量能量密度提升5.7%,成本下降10%。根据计划,弹匣电池今年将喺广汽埃安全系列车型上陆续搭载。

    领湃新能源:3月12日,领湃新能源“四个零战略”,即零风险、零衰减、零焦虑、零误差。其度,打造“零风险、高安全”电池被放喺首要位置。领湃新能源将从材料、电极、电芯、系统等多个维度进行创新设计同研发,颠覆原始设计,杜绝热失控,实现零风险、高安全电池。

    欣旺达:欣旺达宣布公司成功研发“只冒烟不起火”电池包,并可通过“加热触发电芯热失控实验”,即单个电芯在被触发发生热失控之后,成个电池包只冒烟不起火。

    岚图汽车:3月17日,东风旗下岚图汽车在线举办三元锂电池安全技术分享会,三元电池在热失控触发并发出热事件报警信号后,无冒烟、无起火、无爆炸现象发生。

    1.2 无模组化电池通过提高空间利用率提升能量密度

    模组主要是单体电芯通过串并联方式,加保护线路板及外壳后,构成能够直接供电嘅组合体,是单体电芯同PACK嘅中间产品。模组导致电池包成组效率降低和成本增加、重量增加、成组效率低带来系统能量密度低。模组同PACK材料在动力电池系统嘅成本占比超过20%。无模组化精简模组同PACK端结构,减重降本效果显著。

    宁德时代推出CTP技术,有望提升能量密度并降低成本。CTP技术注重电池包轻量化设计,提升能量密度并降低成本。高工锂电数据显示,宁德时代CTP电池包体积利用率提高‌15%-20%,电池包零部件数量减少40%,生产效率提升‌50%,电池包能量密度提升‌10%-15%,可达到200Wh/kg以上,大幅降低动力电池嘅制造成本。

    比亚迪推出刀片电池,具备高体积能量密度同高安全性。刀片电池是比亚迪提出嘅无模组化电池包方案。刀片电池嘅实质是省略‌电芯-模组嘅步骤,省去‌横梁、纵梁以及螺栓等结构件,将电池包壳体内部嘅空间利用率由原来嘅40%-50%提升到60%-80%。根据高工锂电数据,喺电芯制备过程嘅良率和一致性达到稳定状态后,生产成本相比传统磷酸铁锂电池包预计下降30%。

    1.3 掺硅补锂:硅负极嘅应用难度大,补锂嘅安全同技术成熟度是瓶颈

    掺硅和补锂是两个技术,负极掺硅是为‌提升能量密度,补锂则是为‌提升循环寿命。佢哋都有助于提升动力电池性能,喺较高能量密度嘅产品上,已经广泛应用。

    掺硅:硅基负极材料嘅理论克容量是4200mAh/g,是石墨负极10倍有余。以而家技术水平,要将电池做到300Wh/kg,硅基负极是必不可少嘅。硅负极充放电膨胀可达300%左右,而普通石墨仅为10%左右。硅和石墨在充电嵌锂嘅时候膨胀状态不一致,电芯膨胀收缩嘅次数多嘎啦,结构就会坍塌,锂就没法进出嘎啦。也就是说采用硅后,虽然克容量提升嘎啦,但是循环寿命却缩短嘎啦。因此,实际应用中嘅硅负极材料,硅含量都非常低。采用纳米硅以后,电池能量密度可以提升5%-10%。整体来睇,硅基负极制备工艺复杂,无标准化工艺,技术壁垒高,难度主要在于硅材料纳米化及同硅碳复合材料嘅制备工艺,属于各企业嘅核心技术。

    补锂:一般嚟讲,锂离子电池首次充电时,会造成大量锂损耗,且是不可逆嘅。为‌保障电池嘅容量,就需要将损失嘅锂补回来一啲,呢种技术就是补锂,也叫预锂,目嘅系补偿锂损耗,延长循环寿命,从而达到减缓衰减嘅作用。研究发现,现有嘅石墨材料有5%~10%嘅首次不可逆锂损耗,而对于高容量负极材料,首次锂损耗甚至更高;硅嘅不可逆容量损失达15%~35%。补锂技术包括正极补锂、负极补锂和利用金属锂粉预锂化,补锂技术安全性同技术成熟度都好低,产业化难度好大。

    不过,目前好多企业都官宣掺硅补锂技术可以睇出,两种技术嘅产业化难点应该得到一定程度上嘅解决。或者近两年内,采用掺硅补锂技术嘅电池产品将会大规模上市,同时都系300Wh/kg电池产品嘅普及阶段。

    1.4 固态电池

    固态锂电池同传统锂电池最大嘅不同在于电解质,传统锂电池采用隔膜+电解液中间含有液态物质,而固态电池则是用固体电解质。相比传统锂电池,固态锂电池嘅安全性更好,能量密度更高。目前已经在使用或接近商用嘅固态电池嘅电解质有:聚合物、硫化物和氧化物三种,其中氧化物电解质性能最优。氧化物和硫化物电解质嘅固态电池能量密度高于采用相同正负极材料嘅传统锂电池。

    全球新型电池发展趋势及应用场景分析

    图三:传统液态锂离子电池于固态电池结构区别

    (资料来源:左图:Polymer Electrolytes for Lithium Polymer Batteries.右图:Fast Charging Lithium Batteries: Recent Progress and Future Prospects.,本翼资本整理)

    氧化物电解质嘅稳定性好,循环寿命长(可达1000次)以上,能量密度较高,倍率性能较好,同时成本较低。主要缺陷是界面接触问题尚未完美解决。氧化物电解质比较适合动力电池,其制造工艺和改性水平也在稳步提升。氧化物固态电池电解质物料价格低廉且电芯易组装,封装成本低。只要解决氧化物电解质大规模量产嘅技术问题,固态电池嘅量产成本可以同液态电池相媲美。

    1.5 分析

    由于锂元素特性嘅限制,目前锂离子电池嘅能量密度已接近极限,现有研究嘅主要成果是无模组化(CTP技术和刀片电池)、掺硅补锂和固态电池。随住人对里程焦虑嘅缓解,磷酸铁锂电池嘅市场份额会逐渐增加,高端车仍会使用三元锂电池保证高续航里程。

    全球新型电池发展趋势及应用场景分析

    表三:传统锂离子电池同新技术对比

    (资料来源:公开资料,本翼资本整理)

    通过研究发而家储能技术方面,研究人员都喺度寻求效用、成本、安全性和应用场景这四个层面嘅最优解。能量密度(≥260表三标红)、循环寿命(≥1500表三标红)都系效用问题,安全性问题包括爆炸和易损问题,成本问题不只考虑电池本身嘅成本,仲要要考虑环境成本,如铅酸电池对环境污染太大。①当电池储能效用不足、安全性较高而成本较低时,可以应用在对移动性、便携性要求较低嘅场景,例如5G基站、家庭/工业储能、数据中心等;或者应用在对能量密度要求不高嘅场景,例如电动自行车、低速电动车、公共汽车、电动船舶等。②当电池储能效用好、安全性较高但成本高时,可应用在对移动性便携性要求较高嘅场所,例如手机、汽车、机器人等,③当储能效用和安全性极高,但是成本也极高时,可以应用在航空航天领域。

    锂离子电池作为目前世界上市场容量占比最高嘅电池,喺新能源动力汽车和储能领域都有好大嘅应用,但因为三元锂电池嘅安全问题以及磷酸铁锂电池嘅能量密度不高,所以在传统嘅锂离子电池基础上,好多公司对其结构进行‌改进。同时由于锂电池嘅资源以及分布不均嘅限制,仅靠锂离子电池呢一项储能技术并唔可以全面改变传统能源结构,难以同时支撑起电动汽车和电网储能两大产业嘅发展,因此研究以非锂金属或第啲原料为材料嘅新型电池也成为各国竞争焦点。

    02. 钠离子电池成本优势明显,有望在储能领域应用

    在研究历程上,钠离子电池和锂离子电池嘅技术路线有住几乎同步嘅起点,但是上世纪九十年代锂离子电池商用化嘅顺利进行反向抑制‌钠离子电池技术路线嘅发展。随住研究嘅不断深入,研究者发现钠离子电池不仅具有钠资源储量丰富、分布广泛、成本低廉、无发展瓶颈、环境友好和兼容锂离子电池现有生产设备嘅优势,仲要具有较好嘅功率特性、宽温度范围适应性、安全性能和无过放电问题等优势。且钠离子原理跟锂电池完全一样,工艺也基本一样,只是金属元素性质上存喺一啲差别,因此钠离子电池成为一个顺理成章嘅替代选择。

    全球新型电池发展趋势及应用场景分析

    表四:钠离子电池同锂离子电池电池技术对比

    (资料来源:公开资料,本翼资本整理)

    中科海钠嘅唐堃表示,喺2016年左右,揾到‌一款可以商业化嘅低成本嘅钠离子电池,其中包括‌正极材料、负极材料和电解液组成嘅完整嘅电池体系,并已经开始在商业化路线探索。经过世界各研究组嘅共同努力,钠离子电池在电极材料、电解质材料、表征分析、储钠机制探索和电芯技术等方面不断取得突破,钠离子电池相关文章嘅发表数量迅速增加,专利嘅申请数目逐年递增。美国、欧盟都公布相关政策,明确钠离子电池发展嘅重要地位,钠离子电池已成为世界各国竞相发展嘅储能技术。

    钠离子电池不仅能够在构建能源互联网中发挥重要作用,满足新能源领域低成本、长寿命和高安全性能等要求,仲够晒喺一定程度上缓解由于锂资源短缺引发嘅储能电池发展受限问题,是锂离子电池嘅有益补充,同时可逐步替代环境污染严重嘅铅酸电池,推动我国清洁能源技术应用迈向新台阶,为我国能源安全和社会可持续发展提供保障。

    钠离子电池能量密度不如锂离子电池,但是安全性强,高低温性能好,适用于对便携性、移动性要求低嘅场所,例如:5G基站、家庭/工业储能、数据中心等,或者应用于对能量密度要求不高嘅电动自行车、低速电动车、公共汽车、电动船舶等场景。

    03. 钾离子电池研究处于起步阶段,短期无办法技术突破

    钾离子电池由于其低成本、高能量密度,电解液中快嘅离子传导性以及高嘅工作电压近年来引起‌极大嘅关注。

    全球新型电池发展趋势及应用场景分析

    图四:钾离子电池特性及不足

    (资料来源:Approaching high-performance potassium-ion batteries via advanced design strategies and engineering Wenchao Zhang, Yajie Liu, Zaiping Guo, Science Advances 10 May 2019, Vol. 5, no. 5, eaav7412,本翼资本整理)

    不足:在循环过程度,固体电极中嘅离子扩散性差可能导致反应动力学迟缓,呢会影响电池嘅离子迁移和速率。此外,循环过程中嘅大体积变化可能会损坏电极嘅完整性并导致粉碎,呢可能导致由于在新产生嘅固体电解质界面(SEI)层嘅形成而导致嘅进一步严重嘅副反应。就金属电极而言,由于不均匀嘅电子分布会加速副反应,呢将导致枝晶生长并因此进一步导致SEI嘅破裂。SEI层将喺电极表面上不断嘅连续形成从而消耗电解质,增加反应过程中嘅极化,并最终导致容量衰减。

    对钾离子电池嘅研究仍处于起步阶段,仍需进一步探索合适嘅电极材料和发展钾离子电池技术至关重要。钾离子电池成本低,但系可以量密度不足以支撑新能源电动车运行,和钠离子电池类似,可以应用在低速电动车和规模储能等场景中。

    04. 金属空气电池

    金属-空气电池是以电极电位较负嘅金属如镁、铝、锂等作负极,以空气中嘅氧或纯氧作正极嘅电池。

    4.1 锂空气电池潜力巨大,喺新能源、储能以及航天军事领域有广泛嘅应用价值

    锂空气电池系一种非常有潜力嘅高比容量电池技术,理论能量密度高达11680Wh/kg,是现有嘅可充电电池体系中最高嘅,远超过锂电池目前200+Wh/kg嘅实际能量密度,因此得到‌学术界和工业界嘅热捧,被广泛认为系一项电池领域中未来嘅颠覆技术。

    虽然锂-空气电池具有最高嘅理论能量密度,但目前存在诸多嘅问题,如循环寿命、倍率性能、环境适应性等限制‌其实用化进程,暂时还无办法实用化。国际上对锂空气电池嘅研究已经实现‌锂空气电池嘅可逆反应、在密闭嘅空气环境下运行、实现‌产物由过氧化锂到氧化锂嘅转变。

    可以预见,随住锂-空气电池研究嘅深入同发展,将会推动其性能不断提高,并推进其实用化进程。咁高嘅理论容量密度令到锂空气电池不仅在新能源汽车领域、储能领域非常具有吸引力,喺航天、军事、移动电子等也存在广泛嘅应用价值。

    4.2 锌空气电池能量密度高,但技术突破困难

    锌空气电池是利用活性炭吸附空气中嘅氧气或者纯氧作为正极嘅活性物质,以金属锌作为电池负极,以氯化铵或碱性溶液作为电解质。锌空气电池能量密度高(1350Wh/kg),目前实际利用可以达到300-400Wh/kg。锌原材料丰富,成本低,是除铁外价格最低嘅金属,此外锌空气电池还具有放电电压平稳、安全性好、环境友好、质量轻、循环稳定性高等优点。虽然一次碱性锌空电池已经实现商业化,成功应用于医疗和通信应用领域,如微型助听器和无线信息传递装置。

    但係,电化学可逆嘅可充电锌空电池由于面临诸多挑战,目前仍处于实验室研发阶段。

    从电池化学嘅角度来睇,强碱性电解质是阻碍可充电锌空电池商业化进程嘅关键。2021年新发嘅Science发明‌高度电化学可逆嘅非碱性锌空电池。为‌打破碱性电解质对锌空电池嘅束缚,该项突破性工作为后续研发高可逆嘅二次金属空气电池提供‌新嘅理解和研究思路,但锌空电池仍存在好多问题没有解决,如充放电效率低(该工作一个充放电周期嘅时间长达20个个钟头)、充放电过程中枝晶嘅析出同生长、电池嘅发热问题。

    锌空气电池由于其高能量密度、环境友好等优点而成为下一代最有希望嘅新能源电池,由于低成本同安全性好嘅优势可能应用在对移动性、便携性要求不高嘅场所(5G基站、家庭/工业储能、数据中心等)。

    05. 氢燃料电池技术有产业性突破,前景光大

    金属离子电池同金属空气电池嘅能量密度有限,充电时间长,同燃油车有好大差距。氢燃料电池基础能量密度是汽油嘅3倍,能量密度是锂离子电池嘅100多倍,加氢时间仅需几分钟,且绿色清洁,被誉为“21世纪嘅终极能源”。

    全球新型电池发展趋势及应用场景分析

    表五:氢燃料电池同锂离子电池对比

    (资料来源:公开资料,本翼资本整理)

    家阵时氢嘅储存分为高压气态储氢、低温液态储氢、化学储氢及吸附储氢等多种方式。液氢作为最有潜力嘅一种储运方式,液态氢嘅密度是气氢嘅780倍,令到氢可以高效地储存和运输。喺欧、美、日等地区和国家,液氢技术嘅发展已经相对成熟,液氢储运等环节已进入规模化应用阶段,而我国由于液氢技术仍处于起步阶段,氢液化系统核心设备仍然依赖进口,主要应用于航天领域,且产能较低、成本过高,民用领域应用仍处于空白状态,仅在西昌、文昌航天101所有4台液化系统。

    目前国内多个氢能示范城市在相关发展规划中明确‌未来燃料电池汽车推广嘅阶段性目标。氢能产业已成为我国能源战略布局嘅重要组成部分。《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》指出,要有序推进氢燃料电池供畀体系建设,包括提高氢燃料制储运经济性和推进加氢基础设施建设。

    根据国际氢能委员会预计,到2050年,氢能将承担全球18%嘅能源终端需求,创造超过2.5万亿美元嘅市场价值,燃料电池汽车将占据全球车辆嘅20%-25%,届时将成为同汽油、柴油并列嘅终端能源体系消费主体。根据中国石油勘探开发研究院嘅预测,2050年液氢将占所有储氢方式嘅45%。液氢技术将有力促进我国氢能产业嘅可持续发展。对氢燃料电池汽车嚟讲,液氢嘅进场极有可能促进全产业链降本,是家阵时阶段难得嘅重大利好。

    家阵时氢嘅储存分为高压气态储氢、低温液态储氢、化学储氢及吸附储氢等多种方式。液氢作为最有潜力嘅一种储运方式,液态氢嘅密度是气氢嘅780倍,令到氢可以高效地储存和运输。喺欧、美、日等地区和国家,液氢技术嘅发展已经相对成熟,液氢储运等环节已进入规模化应用阶段,而我国由于液氢技术仍处于起步阶段,氢液化系统核心设备仍然依赖进口,主要应用于航天领域,且产能较低、成本过高,民用领域应用仍处于空白状态,仅在西昌、文昌航天101所有4台液化系统。

    据中国科学院院士欧阳明高在中关村氢能同燃料电池技术创新产业联盟成立大会嘅报告,中国车用燃料电池技术近年来取得产业化突破,2020年各种技术指标大幅度提高,安全技术提高‌300%。而且同过去十年比嘅锂离子电池下降成本过程相似,燃料电池发动机成本在今后十年会大幅度下降,进入一个快速下降嘅区间,但虽然咁,短期内氢燃料电池汽车嘅成本跟新能源电车比较仍不具竞争力,因此氢能源燃料汽车虽然潜力巨大但短期内只能作为新能源电动车嘅补充,喺储能领域嘅应用会更广泛;在长期为达到碳中和嘅要求,随住关键技术嘅突破和产业链规模化,燃料电池会成为大趋势。

    06. 核电池成本极高,不适用于民用领域

    核电池有好多种,都系利用放射性同位素嘅衰变来发电(并非反应堆),但航天器上用嘅主要是钚238核热电池,佢嘅原理好简单:芯部嘅钚238衰变产生热量,通过换能器也就是热电转换器件,利用温差将热能转化为电能,所以也叫同位素温差电机RTG。

    全球新型电池发展趋势及应用场景分析

    图五:RTG示意图

    (资料来源:硬核小螺号公众号,本翼资本整理)

    放射性同位素在衰变过程度,会持续不断嘅放出具有热能嘅射线。利用半导体换能器将热能转换为电能嘅装置即为核电池。以原子自然衰变释放嘅能量为动力。

    核电池按放射性元素嘅不同可分为高电压型和低电压型。高电压型应用在航天同军事用途上。低电压型体积可以制造嘅好小,通常在医学领域应用。

    核电池因为充足嘅能量超长嘅寿命,不受外界环境嘅温度,压力,化学反应,电磁反应等影响持续释放能量嘅特性,而拥有化学电池不可比拟嘅优势,只要空间存在,就可以工作嘅能力,简直是太空飞行嘅最佳电源。

    核电池嘅优点非常多,但是受限于热能转换材料嘅性能,只有10%-20%嘅热能被利用,其余嘅能量被浪费无办法转换。受限于热能转换率,电流有限,如果要提供足够嘅功率,大体积随即会产生高辐射。但是,喺民用领域,核电池嘅推广和普及有极大嘅难度。首先是价格问题。电池原料使用嘅钚,钋等都好难获得,有啲甚至需要在核裂变乏材料中提取。价格注定非常昂贵。其次是安全性问题。美苏都发生过电池破裂烧毁丢失嘅事故。虽但係家嘅核电池已经做嘅极度安全,但系一旦出现破裂摔坏,内部嘅放射性元素会直接暴露在空气中。这会引起民众极大嘅担忧。

    三、分析及结论

    锂离子电池是目前市场占比最大嘅电池。对于锂离子电池嘅研究发展,好多公司针对三元电池起火嘅问题提出认识决方案,除此之外,更多嘅系针对提高能量密度嘅研究,如无模组化、掺硅补锂、固态电池等;但随住能源革命嘅推进,由于锂嘅特性限制(锂离子电池嘅能量密度将接近极限)及资源限制,锂离子电池可能无办法全面改变传统能源结构,难以同时支撑起电动汽车和电网储能两大产业嘅发展,故对非锂材料新型电池嘅研究都系各国研究嘅重点,包括钠离子电池、钾离子电池、金属-空气电池、氢燃料电池、核电池等。喺储能技术方面,研究人员都喺度寻求效用、成本、安全性和应用场景这四个层面嘅最优解

    。对于储能效用好,安全性稍好,成本稍高嘅电池,可以应用在对便携性移动性要求强嘅应用场景,例如汽车、机器人等;对于储能效用不那么高、安全性好、成本低嘅电池,可以应用在对空间、便携性没有限制嘅应用场景,如5G基站、工业储能;对于储能效用和安全性极高,但是成本也极高嘅电池,可以应用在航空航天领域。

    全球新型电池发展趋势及应用场景分析

    表六:新型电池技术对比 

    (资料来源:公开资料,本翼资本整理)

    因为新型电池大多尚在研究阶段,所以好多需要实践才能验证嘅数据缺失(如成本、安全性等),因此在分析佢哋嘅应用场景时,主要聚焦佢哋嘅优势维度上。

    全球新型电池发展趋势及应用场景分析

    图六:新型电池及应用场景

    (资料来源:公开资料,本翼资本整理)

    (1)钠离子电池安全性强,高低温性能好,适用于对便携性、移动性要求低嘅场所或者应用于对能量密度要求不高嘅场景;

    (2)钾离子电池目前尚处于研究起步阶段,技术突破后可以应用在低速电动车和规模储能等场景中;

    (3)锂空气电池由于其超高嘅能量密度,被誉为被认为系一个未来可以颠覆电池领域嘅技术,技术突破后不仅在新能源汽车领域非常具有吸引力,喺航天、军事、移动电子等也存在广泛嘅应用价值;

    (4)锌空气电池由于高能量密度,清洁等特性有机会成为下一代新能源电池,由于低成本同安全性好嘅优势可能应用在对移动性、便携性要求不高嘅场所;

    (5)氢燃料电池嘅研究目前已经取得产业性突破,预计成本在未来十年也会进入快速下降区间,喺新能源汽车领域,氢燃料电池汽车嘅能效要比纯电动和混动汽车高好多,潜力巨大,长期睇可能会成为主流;其次,氢能都系集中式可再生能源大规模长周期储存嘅最佳途径;

    (6)核电池具有能源充足、寿命极长、不受外界环境影响等优势,是太空飞行嘅最佳能源。但由于其安全性和成本嘅问题,喺民用领域普及推广具有极大难度。

    cantonese.live 足跡 粵字翻譯

    2021-04-19 11:07:03

  • 0
  • 0
  • 0
  • 171
  • 请登录之后再进行评论

    登录
  • 任务
  • 发布
  • 偏好设置
  • 单栏布局 侧栏位置: