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鉛蓄電池、鋰電池與氫燃料電池,誰將優勝誰被劣汰?

作者:中國儲能網新聞中心 來源:上海有色網 發布時間:2019-06-03 瀏覽:
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近年來鉛酸電池行業在進行了一系列的改革整治,行業洗牌加速的同時,鋰電池和氫能源電池異軍突起,已經開始蠶食鉛蓄電池的市場份額。本文主要從鉛蓄電池產業地位與發展趨勢、面臨挑戰以及回收過程存在的問題入手,同時介紹鋰電池和氫能源電池的現狀,加之鉛蓄電池、鋰電池和氫能源電池的優劣勢比較,以及對未來發展前景進行了全面分析。

文|上海有色網

一、鉛蓄電池

(一)鉛蓄電池產業地位與發展趨勢

中國是全球最大的鉛酸蓄電池生產國和鉛酸蓄電池消耗國。根據全球鉛酸電池產能來看,中國鉛酸電池的產量在全球鉛酸電池的產量中占比45%,占比最高;美國鉛酸電池的產量緊隨其后,占比為32%,日本鉛酸電池的產量在全球中的占比不到我國鉛酸電池占比的三分之一,為13%。

全鉛酸電池產能區域分布

我國鉛酸電池的產量在全球占比較多的原因是,近年來,我國通過引進歐美日韓等國家在我國投資建廠,并吸納、消化國外技術,使我國鉛酸電池的的制造技術已經接近了國際先進水平。

數據顯示,2010-2017年,全球鉛酸蓄電池市場規模穩步增長。2013年,全球鉛酸蓄電池市場規模首次突破400億美元,此后均保持在400億美元以上。2017年,全球鉛酸蓄電池市場規模約為429億美元,同比增長0.70%。

據統計,2015年鉛酸蓄電池占電池市場一半以上份額約為54.67%。從全球范圍來看,2015年鉛酸蓄電池市場規模為422億美元,這一市場規模仍將保持2%-5%的年增長率,預計2018-2023年,鉛酸蓄電池市場規模難有大幅度上漲,但仍將維持在400億美元水平上。

“十一五”期間,鉛蓄電池市場規模迅速擴大,每年產量平均以約20%的增速上升。據SMM統計,截止2018年底,鉛蓄電池行業產能已超出4億KVAh。在未來的幾年里,鉛酸蓄電池行業仍將在國民經濟中占據重要地位。

鉛蓄電池銷售收入在整個電池行業中所占比例較大,盡管在儲能領域被鋰離子電池部分替代,但難以動搖鉛蓄電池的市場地位。

據統計,鉛約占鉛蓄電池總成本的70%。市場上60V20AH的鉛蓄電池重量一般是在35kg左右,鉛酸電池的含鉛量一般在65%左右,也就是有22.75kg的鉛,即鉛蓄電池平均每度電需要消耗18.96kg的鉛。結合鉛蓄電池的市場占比過半并仍有緩慢增長之勢,短暫來看鉛蓄電池對于金屬鉛的需求仍是值得期待的。

(二)鉛酸蓄電池發展的重要政策支持

2012年7月1日,《鉛蓄電池行業準入條件》正式實施以來,鉛酸蓄電池行業在加快淘汰落后產能、提高產業集中度、促進轉型升級和綠色發展方面,取得了顯著成績。縱觀整個鉛酸蓄電池市場,從競爭數量、退出壁壘、同質化程度,以及競爭層次來看,鉛酸蓄電池行業處于成熟階段。

今年上半年,國家市場監督管理總局、國家標準化管理委員會正式批準發布國家標準《廢鉛酸蓄電池回收技術規范》,同時也結束了我國廢鉛酸蓄電池回收行業多年來無“法”可循的窘境。該標準規定了社會流通領域廢鉛酸蓄電池的收集、貯存、運輸、轉移過程的處理方法及管理措施,并將于2019年10月1日起正式實施。

(三)鉛蓄電池面臨重重挑戰

1、電動自行車新國標的沖擊:

2018年5月15日,根據國家標準管理程序,工業和信息化部組織修訂的《電動自行車安全技術規范》強制性國家標準(GB 17761-2018),由國家市場監督管理總局、國家標準化管理委員會《中華人民共和國國家標準公告(2018年第7號)》批準發布,自2019年4月15日正式實施。

新國標嚴格限定了電動自行車的整車重量,對于鉛酸電池來說,電池自重偏大(或者說能量密度過低)無法在現有的技術框架下獲得突破,那么如果新國標車型想要沿用鉛酸電池,只能以犧牲續航為代價。以48V12Ah鉛酸電池為例,通常該規格電池的重量在16Kg以上,這意味著整車不含電池重量要控制在38Kg以下,并且整車的尺寸還不能超過標準,這對于車輛設計提出了極大挑戰。

據SMM調研了解,自去年初,電動自行車新國標草案出臺,鉛蓄電池企業陸續就新國標,開始對鉛酸蓄電池開展“輕量化”技改。其中,少數企業已于5-6月完成技改試驗,并于7月份隨《電動助力車用閥控式鉛酸蓄電池》(GB/T22199-2017)實施,正式向市場批量銷售“減重”后的電池。另據鉛蓄電池生產企業反映,完成電池“減重”技改后,當月原材料中用鉛量較技改前下降約5%。

2、新能源汽車崛起令鉛蓄電池前路渺茫?

鉛酸蓄電池也是目前世界上產量最大、用途最廣的一種電池,但自2015年新能源汽車產業爆發之后,鉛酸蓄電池的地位就受到了挑戰。有報道指出,自2015年以來,國內鉛酸蓄電池產出已開始呈現小幅下滑態勢。主要因為以傳統的鉛酸蓄電池為動力的電動自行車行業發展已達到飽和階段,對國內鉛酸蓄電池的應用推動有所放緩。隨著新能源汽車電池部分對傳統汽車鉛酸蓄電池的逐漸替代,尤其是2020年及以后,其替代影響和沖擊將進一步攀升。因此國內鉛酸蓄電池產銷有不斷收縮可能,后期整體國內鉛酸蓄電池行業的發展或將處于相對被動的格局中。

與此同時,2016年1月1日起對鉛蓄電池征收消費稅、鋰離子電池免征消費稅、《促進汽車動力電池產業發展行動方案》、《汽車動力電池行業規范條件》、新能源汽車免征車輛購置稅等政策法規也在不斷促進新能源汽車發展。

二、鋰電池

(一)鋰電池產業現狀

由于我國對環保事業的重視,從近幾年我國的新能源汽車銷量情況來看,市場對新能源汽車的需求上升較快。其中,2018年新能源汽車產銷分別完成127萬輛和126萬輛,同比增長59.9%和61.7%。其中純電動汽車產銷分別完成98.6萬輛和98.4萬輛,同比增長48%和50.9%;插電式混合動力汽車產銷分別完成28.4萬輛和27.2萬輛,同比增長121.9%和117.6%。

目前,國內新能源汽車仍然在采用磷酸鐵鋰和三元鋰電池,車型續航里程基本上都能夠達到300公里,我國動力電池產業快速發展,推動各環節技術水平快速提升。電芯有望實現三元NCM811電池的量產應用,產品單體能量密度達到260Wh/kg,系統能量密度達到180 Wh/kg。從全球各個國家來看,主要車企廠商配備的還是日韓動力電池,以三元鋰電池為主續航里程基本可以達到350公里。

目前我國鋰電池行業存在部分中小企業,規模小,技術水平低,生產的鋰電池產品較為低端。企業生產鋰電池購買原料成本過高,給企業帶來的生產經營成本相對較高。

鋰電池在某些特定情況下會發生燃燒、爆炸等情況,比如使用不當,極端環境中都有可能發生危險,考慮到技術方面的不足,有些時候也成了限制鋰電池發展的缺點。

鋰電池成為汽車的動力存儲來源,在中國不斷加碼環保事業之后,中國的新能源車的發展進程將不斷加快,對于鋰電池的發展也是會有巨大的推動左右。

(二)鋰礦供應現狀

鋰電池的生產原料主要來自于鋰礦,鋰礦的供應制約著鋰電池的發展,同時決定了鋰電池的未來。中國已探明鋰資源量為450萬噸。中國鋰礦資源的分布集中在四川、江西、青海和西藏。2018年海外鋰礦產量中,67%是來自于鋰輝石礦山,而這些鋰輝石礦幾乎全部來源于澳大利亞。而剩下的鹽湖產量均來自于南美。

(三)鋰電池政策扶持逐漸退坡

2019年3月26日,財政部、工業和信息化部、科技部和發展改革委四部委聯合發布了《關于進一步完善新能源汽 車推廣應用財政補貼政策的通知》。重點內容包括:1、國補力度大幅退坡,補貼基數綜合下降程度超50%;2、2019年3月26日至2019年6月25日 為過渡期,期間按2018年補貼的0.1倍和0.6倍進行補貼;3、過渡期后地補取消,轉為支持充電等配套設施;4、電池技術要求更高,但補貼系數下修。

隨著補貼退坡幅度加大,動力電池環節面或臨進一步降價壓力。

(四)鋰電池的機遇與挑戰

機遇一:低碳環保,全球汽車電氣化浪潮不可遏制和逆轉

在低碳環保、能源安全及產業扶植等因素的驅動下,全球電動汽車市場發展迅速,截止2017年底保有量超過340萬,市場份額突破1%,年均復合增長率達58%。汽車電動化趨勢不可逆轉,產業格局加速形成;預計2025年新能源汽車全球銷量將突破1800萬輛;中國新能源汽車銷量將突破700萬。

機遇二:政策持續明確,發展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路

新能源汽車已上升為國家戰略;產業政策雙積分將代替補貼成為行業長期發展的管理基礎;2025年新能源整體市場占比將達到20%。

機遇三:產業和價值重構,將催生新的汽車業態和偉大企業

技術重構:關鍵核心技術將逐漸從整車延展到關鍵子系統和零部件。

服務重構:從產品提供者演變為產品+服務+出行方案提供者,用戶接口成為關鍵。

價值重構:核心價值點將由整車向關鍵系統、部件以及上下游轉移。

競爭重構:產業競爭將由產品競爭演變為產業平臺競爭。一大批造型新勢力涌入新能源汽車產業,截止2017年底,中國新能源汽車企業數量已達到314家,超過200家造車新勢力入局。

挑戰一:使用新能源汽車的信心,影響著新能源汽車的市場

對于電池技術、充電不便、價格及續駛里程的焦慮,仍然是制約大部分消費者選擇新能源汽車的主要因素。

挑戰二:充電體系建設還不能滿足消費者需求,分布還不均衡

快充體系建設不夠,分布不均衡;中國城市居民多為公寓式住宅,小區停車位配置比例低于1:1,老舊小區缺乏停車位配置;充電樁安裝需城建、電力、物業等多部門交叉管理,自行安裝困難。

挑戰三:商業模式創新不斷涌現,但仍不成熟

新的商業模式仍處于探索期,需要較長時間的實踐,最終找到可持續發展的盈利模式。短期內會對企業經營造成一定的干擾;如網約車領域虧損期超過三年,分時租賃領域虧損期超過四年。

三、氫能源電池

(一)氫能源電池產業地位和發展趨勢

氫能被視為21世紀最具發展潛力的清潔能源,人類對氫能應用自200年前就產生了興趣,到20世紀70年代以來,世界上許多國家和地區就廣泛開展了氫能研究。近年來,我國正在加快發展氫能產業,利好政策相繼推出,氫能產業得到政策的支撐前景廣闊。隨著我國氫能產業加速發展,氫能的應用越來越廣泛。在此背景下,氫 氣產量持續增長。據預測,2019年我國氫 氣產量將近2000萬噸,到2020年將超2000萬噸。

我國在發展氫能產業方面的重要優勢之一就是擁有豐富的氫源基礎。利用我國豐富的煤資源與可再生資源制氫,具有經濟可行性,并且完全可以支撐我國未來很長一段時間對于發展氫能的愿景。當前國內煤氣化制氫1000萬噸,天然氣制氫300萬噸以上,石油制氫300萬噸,工業副產氣約800萬噸,電解水制氫約100萬噸。煤制氫不僅成本低,而且目前國內的制氫規模非常大。據估算,僅國家能源集團每年制氫能力就可以驅動4000萬輛小轎車。電解水制氫與煤制氫是未來中遠期的主要制氫技術路線。

2017年我國開始大力發展氫能產業,公開數據顯示,目前已建及在建的加氫站達45座。預計到2025年,全國加氫站總數將達到300座。各地運營的氫燃料電池車已突破百輛級別。在遼寧新賓有50輛燃料電池車陸續運營,河北張家口有70輛燃料電池車,上海有100輛燃料電池車陸續運營,廣東佛山有35輛燃料電池車。在“2018年中國(海口)氫能源及燃料電池產業高峰論壇”上,國內的四家企業簽署了《200噸級以上氫能重載礦用卡車研發合作框架協議》,這標志著繼客運、公交專線之后,我國氫能和燃料電池產業在交通領域的突破又邁出了新的步伐。

(二)國家對于氫能源電池的政策支持

《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書》則進一步描出了中國氫能的發展路線圖:到2020年,中國燃料電池車輛要達到10000輛、加氫站數量達到100座,行業總產值達到3000億元;到2030年,燃料電池車輛保有量要“撞線”200萬,加氫站數量達到1000座,產業產值將突破一萬億元。氫能寫入政府工作報告向外界釋放出了積極信號,為我國氫能的未來發展照亮了一束光。目前,產業鏈扶持政策在各地延伸以及企業轉型升級競相布局。

除了加氫站,地方政府對整個氫能產業鏈的扶持也正在延伸。

北京

2017年,《北京市加快科技創新培育新能源智能汽車產業的指導意見》:加大以氫燃料為主的燃料電池乘用車開發力度。2018年10月27日,5臺12米燃料電池公交車在北京公交384線正式投入運營。

上海

2017年,《上海市燃料電池汽車發展規劃》:提出到2020年,上海將實現電堆、系統集成與控制、關鍵零部件等核心技術跟蹤國際水平。2018年9月27日,上海首條燃料電池公交線路正式上線,投入嘉定114路運營。

廣東

2018年,《關于加快新能源汽車產業創新發展的意見》:廣東2018-2020年新能源汽車推廣應用省級財政補貼資金中的30%將用于支持氫燃料電池汽車推廣應用。2018,《佛山市氫能源產業發展規劃(2018-2030)》:將佛山建設成為全國領先的氫能源產業示范城市和集聚高地。2018年12月20日,佛山市禪城區首座加氫站——佛羅路加氫站建成營業。70輛氫燃料電池公交車正式投入運營,佛山率先成為廣東省首個大規模使用氫燃料電池公交車的示范城市。

山東

2018年,《山東省新能源產業發展規劃(2018-2028年)》:推動山東全省由“山東制造”向“山東智造”、“山東創造”轉變。2019年1月4日,由兗礦集團有限公司、山東重工集團有限公司與山東國惠投資有限公司三家省屬企業發起,由68家省內外會員單位組成的山東氫能源與燃料電池產業聯盟成立。

江蘇

2018年,蘇州市發改委網站發布“市政府辦公室關于轉發蘇州市氫能產業發展指導意見(試行)的通知”。2018年,張家港市人民政府印發《張家港市氫能產業發展三年行動計劃(2018—2020年)》。全省初步形成涵蓋氫 氣制備和儲運、燃料電堆、電池系統、整車制造和加氫站建設運營在內的氫燃料電池汽車產業鏈,從事氫燃料電池汽車關鍵產業鏈的重點研發生產企業達20家,2017年實現產值約11億元,生產氫燃料電池汽車441臺。

四川

日前發布的《四川省打好柴油貨車污染治理攻堅戰實施方案(征求意見稿)》提到,鼓勵開展燃料電池貨車示范運營,建設加氫示范站;支持替代燃料、混合動力、純電動、燃料電池等技術攻關,鼓勵開發氫燃料等新能源專用發動機,優化動力總成系統匹配。

相較其他燃料,在純電動和氫能源兩個零排放技術方向上,燃料電池的優勢是續航長、燃料補給快、自重輕等。因此,燃料電池系統在載貨運輸應用方面有著明顯優勢。從各地此前發布的政策可以看到,已經有城市在探討燃料電池在貨運行業的發展。

四、三種電池優劣勢比較


圖片來源:SMM

(一)成本方面

鉛酸電池歷史悠久技術成熟成本要低于鋰電池:1KWH的鉛酸電池的價格在500元及以下,而1KWH的鋰電池的價格達到1200元,目前鉛酸電池價格還是有一定的優勢,但隨著鋰電池相關技術發展加快,其價格呈下降趨勢,優勢很快會被抹平。

而氫能源電池相對二者而言成本較高,一方面,制氫過程能量損失大;制氫要先從電解水開始,耗費電能,產生氫 氣,氫 氣再發電過程中還會有能量損失;且電解水的電目前也是以煤電產生為主,燒煤發電也會有能量損失。

另一方面,催化劑金屬鉑十分稀缺;在氫燃料電池發電的過程中需要使用金屬鉑作為催化劑,其價格非常昂貴。大規模生產氫燃料電池,鉑金屬將會因為需求增加價格上漲,且其本身就十分稀缺。

第三個方面,氫的運輸成本不菲;現在常見的氫 氣運輸方式是采用高壓氣罐,但這種方式的單次運輸量非常有限。另一種方式是液態運輸,但是要將其保持在-252.77攝氏度,意味著非常高昂的成本,不太現實。還有一種方式是固體儲氫,利用固體對氫 氣的物理吸附或化學反應,將氫儲存于固體材料中。固體儲氫方式安全穩定,但是能在常溫下還原的多為鈀、銠等稀有貴重金屬,同樣不太現實。

此外,更為重要的是加氫站的建設成本。一座加氫能力大于200公斤的加氫站建設成本在1000萬元以上,如此高昂的建設成本成為加氫站快速發展的最大障礙。

(二)環保方面

鉛酸電池由于含有重金屬鉛,在生產中會產生污染,廢舊電池處理不當也會產生污染。而鋰電池生產中產生的污染非常小,廢舊電池中只存在少量的污染成分。

氫能源電池對環境無污染。它是通過電化學反應,燃燒會釋放像COx、NOx、SOx氣體和粉塵等污染物。如上所述,燃料電池只會產生水和熱。如果氫是通過可再生能源產生的(光伏電池板、風能發電等),整個循環就是徹底的不產生有害物質排放的過程。

(三)效率方面

鉛酸電池就壽命、能量密度以及充放電效率方面均不及鋰電池和氫能源電池。

鋰電池能量比較高,具有高儲存能量密度,已達到460-600Wh/kg,是鉛酸電池的約6-7倍;同時,使用壽命可達到6年以上,磷酸亞鐵鋰為正極的電池1C(100%DOD)充放電,有可以使用10,000次的記錄。

氫燃料電池儲能密度高,大約為1kWh/kg,且重量輕,續航里程普遍更遠。通常會超過500公里,而純電動汽車則根據電池容量的大小,目前大部分純電動汽車續航里程在300公里左右,少數車型可以達到400~500公里。

此外,加氫就像加油一樣,一般只需3~5分鐘。而電動汽車的充電則是一個緩慢的過程。即使特斯拉推出了超級充電站,通常也需要1個小時以上。氫能源電池的發電效率可以達到50%以上,這是由燃料電池的轉換性質決定的,直接將化學能轉換為電能,不需要經過熱能和機械能(發電機)的中間變換。

(四)安全方面

鉛酸電池歷史悠久技術成熟安全性要高于鋰電池,鉛酸電池能在復雜的環境中使用。而鋰電池對環境要求相對較高,對充放電電流電壓要求較高,一旦過充或者過放都有可能導致不可逆轉的損壞。鋰離子電池儲存的總能量和其安全性是成反比的,隨著電池容量的增加,電池體積也在增加,其散熱性能變差,出事故的可能性將大幅增加。

由于燃料電池直接采用空氣中的氧做氧化劑,空氣中的雜質如SO2、H2S等有害氣體進入燃料電池中,引起燃料電池陰極催化劑“中毒”,造成陰極催化劑不可逆轉的損傷,從而導致燃料電池性能下降。

盡管氫能源電池有一定安全隱患,但談“氫”色變的觀念已經過時,氫 氣泄露速度快于常見燃料,但泄漏總能量不高,氫 氣具有很高的擴散系數和浮力,泄漏時可迅速降低濃度,氫 氣爆炸極限范圍寬,但爆炸能很低且不產生濃煙和灰霾,氫脆現象會引起金屬脆化裂紋,可以選用合適的材料防護避免。

五、三足鼎立 誰能勝出?

誰能勝出在于市場選擇。

鉛蓄電池隨著電動自行車、汽車等鉛的終端消費品產量下滑,以及鉛蓄電池在部分領域面臨被鋰電池和氫能源電池滲透的壓力,未來鉛產業消費動力不足,消費將逐步步入平臺期。2019年,隨著生態保護和污染防治工作的深入推進,以及下游消費市場持續低迷,鉛蓄行業轉型升級的任務將更為迫切。

汽車產業逐步進入新能源汽車時代,機遇遠遠大于挑戰。新能源車型的結構將由低端車型向中高端車型發展,隨著新能源汽車市場的逐漸成熟,新能源車型同燃油車一樣將會受到消費升級的帶動,由低端向中高端車型升級。

然而,與純電動汽車相比,燃料電池汽車不僅在我國,在全世界的推廣應用都不太理想。本世紀初,在動力蓄電池能量密度達不到汽車使用需求的前提下,專家多認為燃料電池汽車是電動汽車的終極階段,這可以理解。但是近年來,動力蓄電池技術已有重大進步,對此結論應重新評估。就當前技術狀況,動力蓄電池電動汽車更適用于城市、短途、乘用車,而燃料電池汽車更適用于長途、重載、商用車。二者是互為補充的關系,并不是互相替代的關系,至于將來孰優孰劣,由于技術還在發展,基礎設施正在建設,商業模式也在持續不斷創新,仍存在巨大變數。

氫能燃料電池技術需要加快發展,這符合我國能源革命的需要。“但氫和電都是能源載體,并無‘終極’之說。”中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高認為,小型轎車對能量要求較低,鋰電池可能發揮更大作用,“所以就新能源汽車而言,燃料電池與純電將來會是共生共存”。

“純電動、氫燃料和混合動力,都有各自的優勢,中國市場這么大,三條技術路線在今天和明天都是需要的。”在5月12日舉行的第十屆汽車藍皮書論壇上,上海交通大學智能網聯電動汽車創新中心主任殷承良說,至于未來究竟誰能勝出,“取決于技術進步和市場選擇”。

關鍵字:儲能電池

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