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从全生命周期看电动汽车和动力电池的可持续发展

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国电动汽车百人会 发布时间:2020-09-14 浏览:
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随着相关政策指引和绿色循环技术的日益成熟,循环经济已经成为全球产业转型升级的重要路径和有效模式。特别地,在交通和电力领域,建立循环可持续的动力电池产业链和价值链是整体行业稳健发展的主要驱动力,不仅对实现《巴黎协定》规定的温控目标至关重要,也预计会在未来产生巨大的经济效益——2030 年创造约 1500 亿美元的经济价值。

为了实现这一美好愿景,需要采取协调一致的全球行动。为此,中国电动汽车百人会协同世界经济论坛全球电池联盟召开“电动汽车与动力电池的可持续未来”闭门圆桌会议,邀请全球与我国动力电池产业链上的主要参与者,围绕电动汽车/动力电池安全、节能减排、动力电池全生命周期管理的技术、商业模式、政策标准等方面取得的成果展开讨论。

中国电动汽车百人会副理事长兼秘书长张永伟在致辞时表示:“中国动力电池产业规模不断增长,产业链逐步完善,在上游材料、中游制造及下游应用及回收等环节逐步完备。未来还将在动力电池智能化技术、动力电池资产管理等方面继续发力,通过新技术、新模式、新业态继续发展状态动力电池产业。希望通过本次会议,搭建起国际化互动桥梁,实现全球电动化发展共赢。”

碳排放问题刻不容缓

根据媒体报道,2020年9月9日,包括世界气象组织在内的多个机构共同发布了《2020团结在科学之中》(United in Science 2020)的报告。报告提到,在2020年4月初全球因疫情而采取封锁措施的高峰期间,全球来自化石燃料的二氧化碳日排放量与2019年相比下降了17%,但仍相当于2006年的水平。到6月初,这一数值回升到仅比2019年水平低5%左右。按此趋势继续,最终可能无法实现《巴黎协议》的全球控温目标。碳排放控制刻不容缓。

作为中国汽车标准引进最多的地区,欧盟基于“零排放”目标的法规已经开始落地。联盟层面,2019年3月4日,欧盟决定以立法形式明确到2050年实现“碳中和”的政治目标;行业层面,将2030年法规对象从尾气排放向全生命周期过渡,在2023年前,评估建立统一的生命周期CO2排放评价方法和数据发送方法,到2025年,对每一辆出口到欧盟市场的汽车核算发布其生命周期CO2的排放;企业层面,宝马、戴姆勒、大众、沃尔沃等车企纷纷提出2050年前实现全生命周期“碳中和”或“零排放”的时间表。

在中国,汽车行业已成为我国温室气体排放最重要和增长最快的领域之一,但国内汽车行业缺乏统一碳排放核算技术规范。2019年,国家生态环境部应对气候变化司委托相关机构开展《乘用车碳排放核算技术规范及限额》研究。

对于电动汽车而言,碳排放控制考量的是全生命周期,其中发电就是一个重要环节。根据有关机构预测的数据,出于电网清洁化考虑,要提升其中非化石能源发电比例。这一数值在2019年为29%,按照现有政策情景(乘用车电动化率30%)预计到2030年可达到33.1%,如果是低碳情景(乘用车电动化率35%)则提升至42.3%,同时将电网的碳排放因子降低从2019年的0.635 kgCO2e/KWh降低到0.306。

电动汽车可持续发展关键点之一:供给侧的稳定持续供应

要实现低碳情景,控制汽车行业碳排放,必须让电动汽车具备与传统汽车的比较优势,实现规模化可持续发展,针对供给侧,首当其冲要解决的是动力电池原材料的持续稳定供应的问题。

以三元锂电池为例,其中镍金属产量高,电池用量占比低,目前也有高镍电池正在研发中,如NCM811已经有企业开始量产;锂金属储量丰富,开采技术成熟,但同时电池用量也高;钴全球年产量约为11万吨左右,比锂、镍等金属要稀少很多,而电池又是耗钴大户,目前钴半生矿新开采技术、低钴无钴电池技术均在发展之中。

通过回收再利用的方式来充分发挥动力电池价值,是保证原材料稳定供应的方式之一。目前,行业在电池的设计阶段已考虑回收。针对退役电池,结合大数据明细电池健康状态,快速进行筛选,判断是进行梯次利用还是再生利用。电动汽车退役电动可于储能等行业进行梯次利用,提高电池全生命周期价值。而无法梯次利用的废弃电池,则进行再生利用,通过各种回收方式,重新提取原材料用于电池生产。

行业内正在使用新的回收方法来提升回收效率,如通过精细分选、精细拆解等手段来提高回收率。与传统的破碎回收相比,采用精细分选回收能够提高磷酸铁锂回收率,其中正极粉料、铝箔、铜箔、石墨、铝壳回收率分别提高32、23、7、98、24个百分点;精细拆解则可将磷酸铁锂和三元电池回收收益分别提高60.5%和22.2%。

当前,电池回收还存在较多的技术难点,诸如针对废旧动力电池的快速放电技术、废旧动力电池的全自动化安全拆解技术与装备开发、动力电池正/负极材料的除杂及再活化技术以及废旧动力电池资源化循环利用过程中的粉尘、废气处理技术等。以再活化技术为例,活化再生可改善回收提取到的材料性能参数,有助于提升回收价值。与未活化修复相比,经过活化再生的石墨材料放电(嵌锂)容量提高1.8%,充电(脱锂)容量提高4%,效率提升2.02个百分点。

另外,从商业模式来说,废旧电池高昂的回收成本与其产生的再生价值之间也存在矛盾。

为了保证原材料采购合法安全、建立环形电池价值链,全球电池联盟在达沃斯世界经济论坛年会50周年上提出了电池护照(Battery Passport)这一创新概念。电池护照针对欧洲本土的电池生产与回收等保证,确保上游原材料开采出售过程的可持续、合法与透明,并加强废旧电池的回收利用。建立环形电池价值链是实现《巴黎协定》的主要动力,能够减少交通和能源部门30%的排放,减少电池产业链50%的排放;在价值链转型中能够创造新的就业机会和经济价值。

电动汽车可持续发展关键点之二:解决用户应用痛点

解决用户应用痛点,包括续航、充电、成本、寿命和安全。

改善用户体验、提升用户侧价值,是电动汽车可持续发展的另一关键点。从当前来看,需要在续航、充电、成本、寿命和安全等方面解决用户使用过程中存在的各类问题,与会嘉宾从不同层面提出了建议。

材料体系需要持续的创新,降低成本提高能效;保证前沿以及应用基础研究,扩大研发投入,确立中长期的研发方向,适应市场的需求。系统结构方面,历经几代技术发展,电池包续航里程、能量密度和体积效率都有了很大提升。通过材料改性和优化电极设计来实现充电15分钟、畅行400km的超级快充技术;研发超长寿命电芯;提高动力电池的安全性,如CTP技术能够彻底阻止电池包的热扩散。

安全问题是重点之一。近来,国内外电动汽车安全事故频发,引发了消费者对于电动汽车安全性的各种猜测。据不完全统计,2020年6-7月,我国电动汽车安全事故约18起,主要处于充电和行驶状态。而在2010-2019年,美国和欧洲地区电动汽车事故频发,尤其在2016和2017年事故发生概率较高。

针对此情况,国内外出台多项政策来加强安全监管。2017年9月,美国国家高速公路交通安全管理颁布修订了联邦机动车辆安全标准(FMVSS NO.305);2018年3月,美国、欧盟、日本、中国共同牵头编写的《电动汽车安全全球技术法规》(EVS-GTR)并得以通过;2020年5月,中国发布三项电动汽车相关的安全强标,分别为,GB 18384-2020《电动汽车安全要求》、GB 38032-2020《电动客车安全要求》、GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》。

动力电池安全包括本质安全、主动安全与被动安全三个方面。本质安全上,要通过设计、制造环节把控,定义好安全边界;主动安全的前提是做好电池系统,通过引入人工智能、大数据、云平台等手段,以全面提升电池管理、预警、充电控制及寿命预测与评估的技术水平;被动安全方面,目前众多企业采取加隔热方式来防止热蔓延、模块热蔓延甚至是整个包的热蔓延,也有在电池上面加消防接口来防止热蔓延。

* 除特别说明外,本文内容与数据来自“电动汽车与动力电池的可持续未来”闭门研讨会

关键字:动力电池

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