
動力電池作為新能源汽車最核心的零部件,已成為各國政府和主流車企重點布局和規劃的領域。我國動力電池產業需持續加大投入和創新,保持全球領先地位。目前我國動力電池關鍵技術取得了長足進步,在關鍵材料克容量、電池比能量、系統集成效率等方面得到全面提升,已實現全球領先。此外,我國動力電池產業鏈建設逐步完善,關鍵材料及動力電池的產量和出口量均居全球第一,下游動力電池回收利用體系初步建立,形成了較完善的梯次利用技術及商業模式。總體上看,我國已在動力電池關鍵技術、市場規模、供應鏈方面處于全球領先水平,但在基礎研究、原材料供應、電池回收、碳足跡研究等方面與國外尚有差距。全固態電池研發方面,我國起步較晚,在基礎研究及技術開發上落后國外3-5年;電池原材料供應方面,我國對外依存度較高,恐有供應安全風險;電池回收及再利用方面,我國行業監管力度不足,未實現退役電池全面規范化處置;碳足跡研究方面,我國動力電池碳足跡核算標準與方法論研究較為滯后,在全球競爭中處于不利地位。
高比能、高安全性、低成本動力電池技術不斷進步,全固態電池成為下一代電池的必爭高地。
雖然液態動力電池的能量密度仍有發展空間,但運行安全性存在較大風險,其綜合性能難以滿足行業高質量發展的要求。全固態電池作為下一代電池技術的重要發展方向,有望突破傳統液態電池的瓶頸,具備兼顧高能量密度、長循環壽命、高安全性能、寬溫度范圍等綜合特性的潛力,正在成為全球汽車強國鉚力發展的下一代電池新賽道。目前我國在固態電池、鋰硫電池、鈉離子電池的質量能量密度方面已達到全球先進水平,但在循環壽命上還稍有差距。我國應未雨綢繆,加大固態電池研發及產業化力度,通過多種手段激勵全固態電池等新體系電池研發和創新,推動新體系電池產業化進程,積極探索車載應用前景。為促進我國在全固態電池領域取得先發優勢并鞏固我國動力電池產業全球領先地位,應積極采取相關舉措以推動技術進步和推廣應用。研究制定下一代動力電池國家頂層規劃,加大固態電池研發支持力度,通過設置國家重大專項和建立固態電池協同創新聯合體,開展重點攻關;加強整車與電池系統協同設計,研發固態電池專用生產設備,加大原材料資源保障力度,鼓勵車企開展固態電池搭載和示范應用,實現固態電池的持續降本和應用規模穩步提升。
(一)建立固態電池協同創新聯合體,凝聚全國力量開展重點攻關
我國固態電池的頂層設計稍顯不足,技術路線尚不明確,存在資源投入分散和研發周期長的問題。美國、歐洲、日本、韓國均已發布戰略大力布局并支持固態電池產業發展,我國雖然在國家重點研發計劃中對固態電池等新體系電池設置了專題研發項目,但尚缺少國家層面的戰略和頂層設計。技術方面,固態電解質、正極、負極有多種路線,在選擇時要充分考慮電芯性能、大規模制造可能性、制造合格率、制造成本等因素。國外在聚合物以及硫化物方面已深耕多年,目前已進入量產加速驗證階段,初步形成了一定專利壁壘,全球固態電池專利數量最多的前五家企業分別是豐田汽車、松下控股、出光興產、三星電子、村田制作所,均為日、韓企業。而我國以氧化物路線為主,硫化物研究仍處于起步階段,未來技術路線尚不明確,資源投入較為分散,導致研發效率較低。全固態電池電解質的選擇需同時兼顧電導率、加工性、穩定性和制造成本等,研發方向上重點圍繞高電導率、高界面穩定性、高材料穩定性三個核心指標開展攻關。
一是研究制定下一代動力電池國家頂層規劃,明晰固態電池技術發展方向及路線,建立國家投入長效機制。建議在系統總結過去二十多年國家鋰離子動力電池產業發展經驗基礎上,研究編制下一代動力電池國家頂層規劃,深入研判國際固態電池技術專利壁壘及最新發展態勢,明確我國固態電池主要發展方向及技術路徑。建立國家層面長效投入機制,實施國家下一代動力電池產業技術創新專項工程,持續支持以固態電池為代表的下一代動力電池的基礎科學、工程化、示范應用及回收利用等方面研究。
二是加大固態電池研發支持力度,重視基礎科學研究,強化產學研高效協同,開展行業聯合技術攻關。充分利用現有資金渠道,通過國家科技計劃和工業強基、增強制造業核心競爭力、工業企業技術升級改造等國家重大工程,加大對固態電池的技術研發和產業化支持力度。國家牽頭形成固態電池協同創新聯合體,充分發揮科研院所及高校在基礎研究方面的優勢,集中力量盡快攻克固態電池鋰離子和電子輸運、固—固界面反應等科學問題;鼓勵以企業為主體的聯合創新體系建設,集聚行業優勢力量搭建聯合技術攻關機制,系統解決高電導率固態電解質合成及放量工藝、全固態電芯界面融合技術等工程難題。
(二)加強固態電池工程化及產業化探索,推動開展示范運營
全固態電池整車搭載還有工程技術與成本問題待解決。固態電池雖具有本征安全性,但仍存在一定的熱失控和熱擴散風險,需要針對電池系統熱擴散的不同階段采取安全與防護措施,提高電芯級別的熱失控預警能力和系統級別的熱擴散防護能力,對整車的熱管理設計、系統 / 底盤集成、結構件設計、全生命周期監測和管理提出了新的要求。此外,固態電池產業鏈體系還不完善,與現有產業鏈兼容度較低,且存在原材料供應鏈安全風險,原材料對外依存度較高,進而導致固態電池成本高企。
一是加強整車與電池系統的協同設計,提升固態電池安全性能。建議整車企業和電池企業圍繞全固態電池整車搭載特性,建立聯合研發機制,開展協同設計。針對全固態電池本征安全問題開展專項研究,通過主動安全與被動安全設計,提高電芯級別的熱失控預警能力和系統級別的熱擴散防護能力。
二是加大研發特定工藝制造設備與原材料資源保障力度,促進實現遠期降本。建議針對全固態電池研發新型生產工藝,同時定制化開發部分設備,加快高性能材料全固態電池的研發,進一步完善供應體系;建立關鍵原材料資源保障體系,鼓勵國內企業在海外加大對關鍵資源的投資并購,以及國內礦產資源勘探開采力度,提高原材料自主可控程度。
三是鼓勵車企開展固態電池搭載與示范運營,加速推進產業化應用。根據國內外整車企業和動力電池企業的規劃,預計2025年前后將建立全固態電池試制線并推出搭載的原型車,2030年前后將可能實現全固態電池小規模量產并正式裝車使用,但大規模上車時間仍需根據研發進展而定,若材料層面的關鍵科學問題和產業層面的高效生產工藝 / 低成本化無法有效解決,其量產時間將不及預期。建議鼓勵車企擇機在中高端車型上率先應用固態電池,推進固態電池產業化應用與示范運營,同步開展市場及技術評估,為規模化應用提供經驗。
加強上游原材料資源保障,可實現動力電池產業供應鏈安全可控。動力電池已成為未來能源存儲的必爭領域之一,各國全力爭取實現自給自足。其中動力電池產業供應鏈的安全可控離不開原材料資源,目前我國還存在原材料資源供應風險,亟須加強上游原材料資源保障。從產業鏈角度分析,整車企業對動力電池產業帶動效應顯著,動力電池企業可進一步帶動關鍵材料放量增長。目前,我國上游關鍵材料出貨量及出口量居全球前列,基本實現自給自足。
(一)建立關鍵原材料資源保障體系,實現關鍵原材料穩價保供
原材料價格漲幅過大,帶給整車及電池企業極大成本壓力。2021年以來,新能源汽車的旺盛需求驅動鋰電池市場強勢增長,電池級鋰材料價格持續走高,遠超市場預期,導致在電池產業鏈的利潤分配方面,鋰礦端的議價能力和利潤獲取能力最強。原材料碳酸鋰價格在2022年年底達到了最高點60萬元/噸,2023年以來,價格逐漸下降,恢復到正常價格區間。目前,合計擁有全球過半鋰資源的阿根廷、玻利維亞和智利擬形成“鋰佩克”組織,若計劃落定將會對全球鋰資源定價產生很大影響,鋰資源可能成為“白色石油”,全球對于戰略礦產的掌控將顯著趨緊。
一是建立關鍵原材料價格監測、分析預警機制,加強市場供給調節。建議宏觀經濟和行業主管部門將鋰、鈷、鎳等動力電池關鍵原材料納入國家戰略性資源儲備,加大對國內富鋰地區鋰資源勘探和開發力度,鼓勵國內企業在海外加大對關鍵資源的投資并購力度。同時研究建立關鍵原材料價格監測、分析預警機制并及時發布信息,加強市場供給調節。
二是強化對關鍵材料市場及金融監管,促進市場回歸正常秩序。建議市場監管部門將動力電池原材料納入市場監管范疇,對違法經營、囤積居奇的企業通過約談、調研、通報等方式進行勸導和警告;同時建議對資本惡意炒作等行為加強金融監管,發揮國內期貨市場對原材料價格的引導作用,打擊自媒體哄抬物價,促進市場回歸正常秩序。
(二)加大國內礦產資源勘探開采力度,提高原材料自主可控度
目前我國礦產資源的國內自主可控度較低,存在被限制進口的風險。產業聚集之下,我國動力電池制造產業鏈縱向一體化程度高,但上游加工、中游制造與下游需求之間存在供需不平衡,尤其是受制于資源分布,鋰、鈷、鎳等長期依賴進口,存在一定縱向風險。目前我國鋰、鈷、鎳的資源分布占比均不到10%,三元正極材料的前驅體主要是鎳和鈷,我國對外依存度較高:鎳資源方面,我國儲量400萬噸,主要依靠從印度尼西亞、俄羅斯等國家進口;鈷資源方面,我國目前探明儲量僅8萬噸,主要依賴從印度尼西亞和剛果(金)進口,資源相對短缺。礦產資源保障問題需協同電池產業進行全盤規劃。
一是加大戰略性礦產資源的勘查力度,加快礦產品基地建設。繼續加大戰略性礦產資源的勘查力度,形成一批戰略儲備礦產地,以保障國內礦產資源大循環。做好重要礦產品保供穩價工作,保障產業鏈供應鏈安全。加大金屬礦石等國內勘探開發力度,加快礦產品基地建設,增強國內資源保障能力,強化進出口調節,堅決遏制高耗能、高排放、低水平項目盲目發展,保持重要礦產品安全供應、價格基本穩定。
二是加速礦產資源開采技術研發,提升戰略性礦產資源國內保障能力。由于地質環境復雜、采掘環境多變,礦山開采面臨巨大挑戰,礦山智能化、綠色化發展成為當前采礦業發展的新趨勢,有序、高效、科學地進行礦物開采已經成為我國采礦業發展的重要方向。國內青海、西藏優質鹽湖以及川西等鋰礦資源分布地區的地理和氣候條件較為嚴苛,并且品位較低,開采難度和成本相較國外高出很多,需要國內企業在境內項目投資和新型提鋰技術上不斷升級。加速推動大數據技術、無人駕駛技術、自動化技術、高精度 GPS 定位技術、深部開采技術、物聯網技術等創新技術在礦產開采中的應用,不斷提高開采效率和減少環境污染。
(三)加強對國際重要礦產投資并購,增強全球資源配置靈活性
全球各國對于戰略礦產的掌控將顯著趨緊,原材料產地抱團哄抬價格。全球礦業正在經歷新一輪的深度調整,電動汽車相關新興礦產資源成為各個國家和企業必爭的“戰略要地”。我國在本輪全球礦產業變革中已處于具有一定優勢的較領先地位,尤其是以贛鋒鋰業、天齊鋰業為代表的鋰資源企業,以洛陽鉬業、金川集團為代表的鈷資源企業,以及以青山集團、中冶集團為代表的鎳資源企業,在全球擁有多個世界級資源項目,在產業鏈中占據了重要的主導地位,已提前鎖定了一定規模和比例的礦產資源權益,為我國關鍵礦產的資源安全提供了重要保障。
一是加強國際重要礦產投資并購,抵御關鍵資源被限制進口的風險。關鍵礦產資源的地理分布集中度高,供應鏈容易受到地緣政治、自然災害等影響,未來仍存在被限制進口的風險。建議對外繼續加大重要礦產投資,并促進海外礦產投入轉化為資源進口儲備,提高抗風險能力。
二是加速原材料產地產能建設,完善全球產能布局,增強資源配置靈活性。通過科學預測未來全球新能源汽車及動力電池產業的產能規劃和產量,對海外地區的工廠布局和產能建設進行合理規劃。通過全球不同區域原材料產能的科學、均衡布局,增強我國企業在全球資源配置中的靈活性。
(四)加強電池材料體系技術創新,提高稀有原材料資源利用率
持續加強技術創新,通過電池替代材料和生物質材料減少電池貴金屬用量。由于對鋰離子電池的需求不斷增長,鎳、鈷和鋰的價格不斷被抬高,可能造成原材料資源緊張的局面,現有電池材料體系不能完全滿足可持續發展的需要。為實現可再生能源的持續利用,除了開展傳統的電池替代材料研發外,由于生物聚合物具有可持續性、可再生性和環保等眾多優點,利用生物材料開發有機電極材料已成為國內外研究的熱點。
一是開展電池替代材料研發,降低電池中貴重金屬用量。目前動力電池主要基于鋰離子電池體系,里面的鋰、鎳、鈷等金屬材料來源有局限性且成本高企,亟須研發電池替代材料。建議在現有鋰離子電池體系的基礎上,開展關鍵材料的替代和降本,如三元正極向高鎳低鈷、高鎳無鈷方向發展,磷酸鐵鋰正極向磷酸錳鐵鋰方向發展;建議構建新的動力電池體系,研發鈉、鈣、鋁和鎂等新的金屬離子電池體系,解決目前動力電池原材料供應安全和成本問題。
二是探索生物質材料在電池中的應用,加速可持續電池開發。為實現可再生能源的持續利用,開發可再生、可持續、綠色的電池材料迫在眉睫。建議探索木質素、聚多巴胺、黑色素、紫癜素等生物材料在有機電極材料中的應用特性,挖掘其應用在正極、電解質等材料中的潛力;建議加速可再生電池和可持續電池的研發及產業化,研究以生物材料和可降解材料為主要部件的綠色電池,實現電池的全體物質可降解,最大限度減少對環境的污染。
動力電池回收在促進資源保障的同時,利于環境保護和材料降本。回收利用雖然看似是動力電池產業鏈的最終端,但實際上也是產業鏈的源頭。動力電池的回收對于資源保障、環境保護和材料降本均有極其重要的意義。我國動力電池上游礦產資源相對匱乏,鋰、鎳、鈷的進口依存度十分高,動力電池回收過程中提取的有價金屬等稀有資源可以重復利用,在保護環境的同時,可產生巨大的經濟價值和社會價值。
(一)強化電池回收監督管理,營造規范有序的市場環境
當前動力電池回收行業已進入關鍵期,回收標準不夠健全、無序競爭等亂象依然存在,阻礙規范化發展。我國對電池回收的環保要求非常嚴格,因此正規企業管理成本較高,而一些環保水平低的許多“小作坊”則以低廉的經營成本賺取高昂的差價。目前動力電池回收監管仍存在漏洞,對從業企業監管不嚴,導致可追溯環節容易失控,許多“小作坊”因此鋌而走險,最終導致絕大多數退役電池流通至“小作坊”。
加強法規制度建設,落實生產者責任延伸制,強化監督管理機制。建議國家立法機構加快對動力電池回收利用立法,加大對相關責任主體的履責約束力度,切實保障生產者責任延伸制度有效落實,避免退役動力電池流入不規范渠道處理;建議地方有關主管部門加強聯動執法,繼續加強對退役動力電池回收的全流程溯源管理,對車企、電池廠以及車主等持有電池的源頭進行管理,保障退役動力電池在規范渠道得到回收及再利用。
(二)建立回收網點共建共享機制,探索創新商業模式
我國已在全國各地區建立電池回收服務網點,但還存在分布不均衡的問題。截至2022年年底,190余家汽車生產、動力電池綜合利用等企業在全國31個省(自治區、直轄市)的326個地市級行政區設立了14573個回收服務網點。目前,占新能源汽車總產量約 90% 的新能源汽車生產企業已設立回收服務網點,覆蓋全國31個省(自治區、直轄市),分布主要集中在京津冀、長三角、珠三角及中部新能源汽車保有量較高的地區,還存在區域分布不均衡、布局不合理的問題。
一是加強行業協作,探索回收網點“共建共享”合作模式。建議通過政策引領和政府牽頭,將電池級原材料供應商、動力電池制造商、新能源車企及電池應用商、梯次利用企業、電池回收企業有效互聯,共同參與動力電池回收利用網絡的構建,通過上下互聯式的溝通和協作,保障動力電池回收產業健康發展。推動新能源汽車生產企業和廢舊動力電池梯次利用,企業通過自建、共建、授權等方式,建設規范化回收服務網點。倡導行業機構聯合產業鏈上下游相關企業主體,發揮各方資源優勢,探索建立“共建共享”回收服務平臺,率先在新能源汽車保有量較大的區域進行網點鋪設和規范改造,優化網絡布局,逐步取締不合規或利用率極低的網點,實現資源的最大化利用。
二是探索商業模式,實現動力電池回收市場化發展。在推行商業模式過程中,需要發展動力電池大規模、快速、低成本的檢測方案,依托動力電池大數據分析技術,結合大量線上和少量線下檢測的方式,實現批量高效檢測。針對具體電池的價格評估,應引入評估機制,結合行業價格標準、歷史交易數據和電池分類應用場景,建立一套大數據評估算法以實現退役電池價值評估。充分發揮產業鏈主體優勢,探索創新商業模式,有針對性地開展動力電池回收利用效益評估、動力電池成組集成技術成本分析,以及再利用場景經濟效益和社會效益分析。在此基礎上進行創新商業模式試點示范,如“以租代售”“廢料換材料”合作模式等,對具有價值的循環經濟發展模式進行推廣。
2020年年底,歐盟發布《歐盟電池與廢電池法規》(簡稱《新電池法》)草案,除對動力電池關鍵材料回收提出管理要求外,首次明確了動力電池生命周期碳足跡管理的要求,草案目前已在歐盟理事會和歐洲議會獲得通過。當前,我國在電池技術、制造和產業鏈等方面已取得領先優勢,而歐盟正意圖以碳足跡為突破口,重新定義產業競爭和貿易規則,將給我國動力電池產業持續引領行業發展帶來嚴峻挑戰,亟須組織行業力量積極應對。
(一)加強我國電池碳足跡研究,加快打破國際綠色貿易壁壘
歐盟發布《新電池法》,對電池碳足跡聲明提出明確要求。該法規旨在使投放到歐盟市場的所有電池更具可持續性、循環性和安全性,針對電池生命周期的所有階段,從設計到廢物處理,為電池行業創造循環經濟。《新電池法》既是迎合低碳、環保的全球趨勢,也是歐盟在電池產業爭取有利地位的方略。動力電池生產制造企業所生產的動力電池的碳足跡要向歐盟匯報,并根據相關規則來計算碳足跡。我國在電池碳足跡核算標準與方法論方面存在空白,在后續國際競爭中將處于不利地位。
一是加快動力電池碳足跡核算標準與方法論研究,保持國際競爭優勢。建議由國家部委指導,加強動力電池碳足跡相關工作的對內統籌、對外協調。動力電池碳足跡管理是當前國際綠色貿易壁壘的關鍵管理工具,動力電池碳足跡的研究、發布以及國際協同是融入國際規則體系、保持我國動力電池產業競爭力的關鍵抓手,亟須從部委層面加強指導,統一數據發布、暢通國際對接渠道,推動關鍵規則和數據的國際互認。
建議行業組織牽頭,推進發布動力電池碳足跡關鍵數據和共識報告。由行業組織牽頭,在前期汽車生命周期排放評價研究工作組的基礎上,進一步推動動力電池上下游企業參與,深入開展基礎數據調研和碳足跡評估工作,對外發布行業權威、共識的動力電池全生命周期碳排放數據,評估我國動力電池產業風險,提出應對措施建議。
建議多渠道做好國際合作與交流,加強研究成果的國際影響力和國際互認。在國家部委指導下,與歐盟委員會聯合研究中心(JRC)建立對接機制,充分發揮行業組織、國際組織、國際會議平臺的作用,從政府、行業、企業等層面打通動力電池碳足跡的國際交流與合作渠道,通過組織研討會、聯合研究、參與成果審議、聯合發布成果等形式加強基礎數據和成果的國際互認。
二是推動動力電池生產過程低碳排放,力爭實現“零碳”生產。“零碳”生產未來將成為動力電池產業鏈企業參與競爭的核心要素,上下游企業必須迅速做出反應。動力電池產業需注重生產過程的低碳排放,要從碳排放量占比高的材料生產和電池組加工環節著手,加強從原料生產到回收全產業鏈需求創新。動力電池生產評價體系要引入碳足跡要求,動力電池生產管理體系要引入零碳排放標準,不斷促進“零碳”生產技術研發及應用。
目前動力電池產業鏈上下游企業已紛紛開啟“零碳”轉型。頭部動力電池企業寧德時代早在2019年就已成立公司可持續發展委員會,投入了大量人力、物力,全面梳理研究產品碳足跡,并探索如何實現全生命周期降碳。在生產制造環節,2022年3月,全球知名認證機構SGS為寧德時代全資子公司四川時代頒發了PAS2060碳中和認證證書,寧德時代宜賓工廠成為全球首家電池“零碳”工廠。比亞迪、蜂巢能源等電池企業也紛紛啟動企業碳中和規劃研究,并開始建立零碳產業園。除動力電池生產環節,鋰電池材料生產環節的脫碳減碳和碳足跡追蹤也迫在眉睫,如成都巴莫科技有限責任公司宣布通過PAS2060體系認證,取得SGS頒發的2021年“零碳”工廠達成碳中和宣告核證聲明證書,成為全球首家達成“零碳”的正極材料生產基地。
(二)有序推進海外電池產能布局,擴大海外本土化配套能力
海外市場需求激增讓動力電池儲運難題日益凸顯,直接在整車生產企業當地建設動力電池工廠,為其進行快速配套,已經成為當前全球產業鏈合作下的最優選擇。近年來,國內多家電池生產企業國際業務收入均呈現飛速增長態勢,一方面由于國內部分動力電池企業的技術水平與產品質量已處于全球領先水平,在國際市場上具備一定的競爭優勢;另一方面以歐洲為代表的海外新能源汽車市場迅速崛起,為我國動力電池企業“走出去”提供了機遇和市場空間。出于發展考慮,主機廠基本會遵循“本土化采購”的原則,動力電池企業在海外建廠,不僅可以有效降低運輸成本,同時也可以更好地配套當地車企。2022年以來,已有億緯鋰能、遠景動力、蔚藍鋰芯、蜂巢能源、寧德時代、國軒高科等多家鋰電池企業披露“出海”投資計劃。
一是加強政府統籌指導和協調,研究制定動力電池產業“走出去”推進策略。加強政府統籌指導和協調,加強政企協同,在汽車強國戰略的指引下,研究制定動力電池產業“走出去”推進策略,重點支持我國具備優勢的動力電池出口和優勢產業鏈企業國際化布局,推動動力電池產品、技術、標準、服務和資本“走出去”,加快培育以技術、品牌、質量、服務等為核心的動力電池產業國際競爭新優勢。
組建動力電池企業海外發展聯盟,推動動力電池企業與供應鏈企業協同“走出去”。鼓勵有條件的企業進行海外投資、并購、設立海外研發中心和營銷服務機構。依托境外經貿合作區、工業園區等大力推進海外動力電池產業園區建設。
二是深入實施FTA(自由貿易協定)戰略和加強專業服務體系建設。積極與“一帶一路”沿線國家和地區、我國主要出口國家商簽FTA、投資保護協定。支持專業機構搭建動力電池產品出口及國際化服務平臺,為企業提供海外市場和政策法規咨詢、檢測、認證、研發、培訓等服務。
【本文節選自《中國汽車產業發展報告(2022)》,國務院發展研究中心產業經濟研究部、中國汽車工程學會、大眾汽車集團(中國)聯合主編,中國發展出版社2023年9月第1版,內容略有刪減】
(作者:趙立金、曲靖瑤、趙森、孫旭東、胡進永。趙立金系中國汽車工程學會秘書長助理、國際汽車工程科技創新戰略研究院副院長;曲靖瑤、趙森、孫旭東、胡進永系中國汽車工程學會國際汽車工程科技創新戰略研究院汽車電動化中心研究員)