预测和克服七个电池产业机会

从2020年到2030年,电池需求预计将在连续年增长率约25%的情况下增长。大多数投资将支持满足运输业的需求,到2030年将超过85%的电池需求。这一快速增长为支持绿色过渡提供了巨大机会。然而,为这一增长铺平道路的同时,还需要应对关键挑战和机遇。

图1-大部分电池投资将支持满足运输业的电池需求

资料来源:彭博社新能源金融2020

 

下面探讨其中七个机会和挑战:

 

1. 化学: 需要更多的研发来优化电池化学的关键应用

2. 环境影响: 通过跟踪和分析电池整个生命周期的影响,积极监测电池是对气候变化采取行动的净积极因素,这一点至关重要

3. 电池分析: 推进电池分析,以提高电池安全性,并在处置/回收前尽量使用电池

4. 生命结束: 健康状况只是电池退化的一个指标,对于能够主动预测电池寿命结束的概念来说,存在着机会。

5. 第二人生: 第二生命市场仍处于萌芽阶段,缺乏开发空间新业务模式所需的供应

6. 电池回收: 回收利用方法已经投入使用,但在收集、排放和拆卸等过程的其他阶段可以发现更多的创新机会

7. 人才库: 要使劳动力供应满足电池行业增长带来的需求,就需要留住现有人才并扩大人才库

1. Chemistry

电池的潜在用例正在迅速扩大,导致目前许多应用领域没有建立起"最佳"电池化学。一个主要的例子是轻型电动汽车锂离子阳极化学缺乏标准化:

• 液态电池内的石墨重阳极 今天在特斯拉和奔驰电动车上使用

• 液态电池中更多的硅重极 化学品是雷诺、日产、三菱和戴姆勒的重点

• 固态电池内的硅重阳极 是大众最近投资于

其他备受争议的问题包括锂离子阴极化学。NCM变化相对于。Nmx/高锰等以及后锂离子技术的可行性(如钠离子和金属空气)。

 

持续的研究和开发将使电池化学决策成熟.工程师和科学家正致力于最大限度地减少以下两者之间的权衡:

• 能量密度

• 性能(包括阻抗、温度敏感性和寿命)

• 配方的稳定性(其本身及其与其他电池部件的反应)

• 代价

• 安全性

 

在这一领域的公司案例

• 量子景观

• 最终公司

• 纳米技术

• 固体动力

2.环境影响

为了成为应对气候变化的净积极因素,最大限度地减少电池整个生命周期的影响至关重要。

图2-电池寿命周期的五个阶段

图3-电动车的寿命影响小于内燃机车辆 资料来源:2019年国际清洁运输理事会。

 

原材料的提取和加工 *开采电池关键商品(如镍、铜、钴、锰、锂、石墨、铝)。确保这些开采商品的供应商和加工商遵守最佳做法环境保护议定书,不参与现代奴役做法,提供商品可转让性数据,是电池行业必须管理的关键供应链风险。

 

制造业 :制造和组装电池组件是一种高排放活动。利用数字双生子、利用可再生能源为工厂提供动力以及回收利用过程中使用的水,对制造厂进行优化是最小化影响的一些方法。

 

用法 :在电池的整个生命周期中用于充电的电源严重影响其整体影响。例如,在电动汽车方面,使用100%可再生能源的充电是理想的,但即使是可再生能源和化石燃料能源的混合,也能确保电动汽车的影响大大低于传统内燃机车辆。

 

处置/回收 :电池工业的寿命、第二寿命和回收----下文将分别讨论。

 

在这一领域的公司案例

• 循环器

• 循环经济学

3.电池分析学

图4-图中概述了导致电池退化的众多机制

资料来源:科学直接杂志:锂离子电池的降解诊断。阿尔。2016年

 

造成电池退化的机制有很多,很多,因此出于安全原因,对电池健康的监控非常重要。由于:

• 电压放电是非线性的,每个电池类型/化学都有其独特之处

• 电池在使用过程中很难测量

• 电池性能随时间变化-要求测量模型定期更新新的基线信息

 

世界各地的学术研究和专门的电池分析公司正致力于开发能够直接测量电池健康状况的软件和/或开发可靠的替代品来监测电池健康状况。改进电池分析不仅将是非常有利可图的,而且将使电池工业能够:

• 在事故发生前拆除不安全的电池

• 最大限度地提高电池的第一寿命,以及

• 在处置/回收前为电池提供第二次使用期机会

 

在这一领域的公司案例

• 再焦耳

• 特维斯

• 德内克斯理工学院

 

4.终结生命

商业电池必须提前退役,因为无计划的电池故障--如失控的放热反应--会带来高风险。当达到80%的健康状态(SOH)时,现行行业标准考虑电池寿命的结束。SOH反映了当前最大容量与最大容量之间的比率。新电池的容量.然而,电池老化是一个高度可变的过程,受电池龄、使用和充电性能、温度和其他环境因素等多种因素的影响。因此,条件监测需要确定何时达到80%的SOH。

 

监测电池状况是困难的,因为不可能简单地测量剩余的能力来确定SOH。如今,实证模型或实验室数据被用来生成参考材料,用于预测在各种应用中的固定工作点的电池SOH。这些数据保存在电池管理系统中,电池寿命的结束只是通过与存储数据的比较来预测。

使用更积极主动的方法识别老化或损坏的电池,在确定电池寿命结束时有很大的改进机会。这样的预测性维护方法可以包括电池管理系统中简单的软件升级,也可以包括电化学阻抗谱(EIS)等先进的诊断技术。

在这一领域的公司案例

• 脉冲学

• 获得

• 火山学诊断

5.第二人生

第二寿命电池是指在第二次应用中被认为不适合其最初应用的电池。由于绝大多数的电池需求将用于电动车,从这个用例中退役的电池最有可能发展为第二生命市场。

 

EV电池是为在非常苛刻的情况下的性能而设计的:操作温度高、因使用行为变化而产生的放电率不一致、性能汽车的电源要求高等。经过数十年的使用寿命和退化,这些电池不再符合电动汽车的性能要求,这些电池仍然能够在需求较低的情况下运行,如备份电源、电网支持功能或与屋顶太阳能配套使用的住宅储存。

图5-电池价值链概述,包括第2个寿命和回收途径

Source: BCG 2020

 

第二人生有两大挑战:

 

我。"第二人生"不是一个无插即用的过程

虽然去除一个电动汽车电池,直接将电池包安装到你家的墙上,作为备用能源的解决方案,这是一个美丽的形象,但现实并非那么优雅。目前的电池设计并不能从根本上支持第二寿命的应用。第一步是将寿命结束的电池从处置或再循环转向第二寿命应用,是确定该电池是否适合这种再利用。就像器官移植一样,电池需要做健康检查。然而,电池分析验证性能保证的第2个寿命的应用尚未成熟。

 

二.新电池越来越便宜

无论是全新的还是第二代的,这两类电池都是为了同样的目的而竞争--储存能量。随着技术的成熟和制造规模的扩大,新电池越来越便宜。相比之下,第二代电池的经济效益并没有看到类似的成本降低,因为大多数较老的电池在第一代仍在尽职尽责地使用。这种有限的供应意味着研究人员和公司可以利用有限的数量来改进第二生命技术或开发新的商业模式。

 

在这一领域的公司案例

• 连接能

• 甜菜星

• Yedlik

6. Recycling

对于真正达到寿命的电池,全世界都有可利用的回收技术。电池回收利用过程从报废电池中提取有价值的稀土材料,如锂、钴和镍,以便随后可购买这些材料作为新制造的投入材料。

 

回收挑战

使回收电池材料的经济性具有挑战性,例如:

• 电池回收利用是能源密集型的、因化学而异的,因此利润很小,机会也很少

• 电池化学趋势的变化会使现有的回收企业无利可图。例如,在较新的化学品中钴的受欢迎程度下降,代之以较低的镍,降低了锂离子电池中可回收材料的总体价值。

• 今天的电池设计并没有考虑到回收利用。例如,电动汽车电池组通常是密封的,密封的,胶合的,使拆卸成为回收过程中高度定制化和劳动密集的步骤

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图6-按工序步骤划分的电池回收挑战

资料来源:2021年循环能量储存。

 

再循环机会

在回收过程的每一个阶段中的乐观和创新提供了一个改善工业经济的机会。例如,正在探索更好的收集和放电方法,以降低回收过程开始时产生的电池后勤成本。在材料回收的后期阶段,研究人员正在寻求基于 生物过程 分解并回收电池材料。

图7-按流程步骤分列的电池循环利用现状最佳做法和新出现的创新