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动力电池供应的全球竞赛

动力电池,供应链,新能源汽车,电池

划重点:

电池供应是电动车发展的阿喀琉斯之踵

预计到2030年对电池的需求会增长14倍,相当于40到60座Tesla的超级工厂

中国是电池供应全球竞赛的领跑者

目前,建设一个庞大的超级工厂网络要严重依赖于污染最严重的发电方式

电池供应是电动汽车的致命弱点。至少目前是这样的。解决这一问题,以及支持公众接受电动汽车的方法,是对电池生产设施进行数十亿美元的投资。

当前电动汽车约占新车销量的4%左右(比方说2020年上半年欧洲的情况)。预测显示,这一比例到2023年会跃升至10%,而到2030年会进一步提高到28 %至30%,到2040年,这个数字会跃升至58%至60%。

尽管不同地区之间的差异仍然会很大,但是中国和欧洲的转型会更快。前者是出于对清洁空气的基本关切所驱动,后者则是由于监管和公众压力。在最终跟上之前,美国可能要落后一段时间。以下是Bloomberg New Energy Finance做出的一些预测(预测值包括电池EV + 充电式EV ):

资料来源:Bloomberg New Energy Finance

随着这些图表的数字在增加,对电池的需求也在增加。调整电池供应需要大力推动产业发展,因为预计到2030年对电池的需求会增长14倍,达到约1800 GWh 的年产能。这大概是什么水平呢?像Tesla在内华达州沙漠运营规模的那种设施要40到60个。

这么庞大的增长需求会让我们面临两个迫在眉睫的紧张局势:全球电池生产的不平衡以及关键矿物的获取。

目前,中国是这场竞赛的领先者

就原始而言,到2030年,72%的电动汽车都将销往欧洲和中国。与此同时,届时计划投产的115座大型工厂里面,有88座会设在中国。一些声音已经在发出警报,比方说研究公司Benchmark Mineral Intelligence的价格评估主管Caspar Rawles。

“尽管中国仍然是动力之源,但欧洲汽车工业对于能不能大规模提供高质量的一级锂离子电池组仍然感到担忧,担心这回成为电动汽车加速发展的主要障碍。”

就复杂性和范围而言,制造用于电动汽车的电池与制造电动机无关。尽管全世界的汽车制造商均已经掌握了电动机的制造并内化,但电池需要的工厂和装配线的规模是独一无二的。

“Gigafactory(超级工厂)”这个词是马斯克创造出来的。Giga表示千兆瓦时(十亿瓦特小时),也暗示了工厂规模的“巨大”。

在Model S推出不到一年后的2013年,这位Tesla的创始人兼CEO就向自己的经理讲了以下这番运算:鉴于公司目标是本个十年末之前实现500000辆汽车的年产能,假设每辆汽车的电池容量为100KWh的话,马斯克发现, 全世界的电池产量可能都会被Tesla给消化掉。讲话结束时,他向负责电池供应的工程师求助,问什么样的工厂才能实现自给自足。工程人员回答:“那会是一个巨大的设施。” 不出所料,马斯克很喜欢这个主意。他下令进行全面研究,后来决定与当时最大的锂离子电池供应商松下联合建立一个规模创纪录的工厂,并承担50亿美元投资的一半。

以下这段话来自马斯克 2014年对传记作家Ashlee Vance说的话:

“竞争对手对Gigafactory各种的嘲讽 。他们认为这个主意很愚蠢,像这样的东西应该由电池供应商去制造。但是我可以告诉你,据我所知,所有的供应商都不喜欢要给电池工厂投入数十亿美元的想法。

你遇到了一个鸡生蛋还是蛋生鸡的问题,车企不会大量投入资金,因为他们不确定自己能不能卖掉足够的电动汽车。所以,我知道,除非我们自己把这座血汗工厂给造出来,否则就没法拿到足够的锂离子电池,而且我知道没有人造这个玩意儿。第一座不是Tesla做的超级工厂什么时候会建成?我想起码要到六年后。大型车企太过畏首畏脚了。

他们希望在批准这种项目并继续推进之前先看看别人能不能做成。我看他们可能要落后我们七年。但我希望我是错的。”

在行业对Gigafactory 概念的响应时机方面,马斯克的预测还是稍微有点错误。在他做出预测的六年后,乐金化学(韩国)、宁德时代(中国)、比亚迪(中国)以及松下(日本)等电池制造商的运营设施已经可与Tesla的媲美。

关于电池组的规模,马斯克的预测也有些偏离。Tesla这里,目前的均值为接近60 KWh(而不是他估算的100 KWh),庞然大物Cybertruck 的电池组是250KWh——但这是极端情况。

但他在其余方面的预测是正确的:事实证明,超级工厂对于确保汽车制造商的自给自足至关重要。Tesla今年似乎有望生产500000辆汽车,而超级工厂的产能有望达到54 GWh ,也就是相当于每天生产约800万个电池。

至于第一家超级工厂,的确是超级巨大:这座工厂位于内华达州Reno市以东,整个建筑物长500米,占地200000平方米,是美国最大的单屋顶设施之一。在全世界也只有飞机装配厂能够超越它的规模。

目前,全球汽车电池供应的天平明显向亚洲倾斜,尤其是中国,后者控制着全球70%以上的产能:

资料来源:Benchmark Mineral Intelligence

资料来源:Benchmark Mineral Intelligence

但是,随着欧洲正在酝酿多个工厂项目,产业的版图正在快速发展。在斯堪的纳维亚半岛,一家叫做Northvolt 的瑞典公司计划于明年开始为包括大众汽车和宝马公司在内的客户设立一家大型工厂,另外一家工厂则计划到2025年在德国建成。其他的项目甚至更加野心勃勃,比方说中国制造商宁德时代打算在德国建设100 GWh 的产能。

这张图说明了一件事,欧洲目前的项目令人不安。

欧洲拟建的超级工厂,资料来源:Benchmark Mineral Intelligence与Monday Note

欧洲拟建的超级工厂,资料来源:Benchmark Mineral Intelligence与Monday Note

在欧洲计划的14个项目里面,其中有10个要靠碳排放密集型的电力生产,项目地点分别在德国,匈牙利和波兰。主要靠58个核反应堆制造88%的无碳电力的法国,到目前为止筹建的工厂只有一个。

但凡牵涉到要对工业设施进行数十亿欧元的投资时,德国由于其所具备的工业知识总会更具吸引力。至于法国,虽然我不愿这么说,但我怀疑法国的劳资关系,其一连串引人注目的社会冲突,正在对投资者起到威慑的作用。除非法国做出路线调整,否则可能会带来可怕的社会影响:与内燃机和动力总成制造相关的数千个工作岗位将会消失,需要通过在电池制造领域创造数千个工作岗位来抵消影响。

为了公平,我应该提一下French ACC(ACC代表汽车电池公司),这是传统电池制造商Saft (现属于道达尔所有)和法国汽车制造商PSA 联合设立的合资企业(各占50/50),该公司计划在法国北部建立一家电池工厂。第二家将设在德国。法国政府最近要求雷诺也加入该项目。

大规模制造电池的工序对电的消耗很大。这里有一些数字可以说明问题:生产一千瓦时的电池容量需要大约60千瓦时的裸电量;容量为45GWh的超级工厂每年要消耗2.7万亿瓦时。这相当于一个容量为1300MW的核反应堆的四分之一!

因此,尽量减少对生态的影响是建设大型工厂的重要组成部分。埃隆· 马斯克对其“内华达州超级工厂”的设想是,利用一切可用的技术,比方说大规模部署太阳能电池板、风力涡轮机和热交换器,利用沙漠的温度变化为建筑物和设备降温,从而实现碳中和。

欧洲绝大多数的超级工厂项目不太可能那么绿色环保。这是一个不幸的矛盾冲突,欧洲会大规模推广电动汽车,但建设一个庞大的超级工厂网络却要严重依赖于污染最严重的发电方式。这一点令人错愕,因为会让转型电动汽车带来的大部分环境效益失效。

所以,要以负责任的方式去获取矿物

在深入探讨之前,请允许我先介绍一下电池的制造过程。电池是由各种材料一层层卷绕起来然后装进比标准AA电池稍大的容器里面的:

资料来源:Tesla

资料来源:Tesla

电池造好之后,要压进一个坚固的铝制外壳里面封装好。这个铝壳一般位于汽车底板下方以降低重心。根据型号不同,一辆Tesla大概包含有4000到7000个这样的电池。整个电池组大概有300–500公斤重。其他汽车制造商可能会采用不同的电池形式,一般是棱柱形或“袋状”电池,尺寸要比Tesla的大得多,电池的数量是数百个而不是数千个。但是大家的制造过程都是很相似的。

此图是根据悉尼科技大学的研究论文制作出来的,展示了电池不同层的制造工艺流程的分解,并且突出展示了部分关键矿物的重要性:

资料来源:悉尼科技大学

跟普遍的假设相反的是,其实还有大量的锂资源未被开发出来。不过其他的主要矿物质,无论是用于原材料生产还是精炼,情况就不一样了。比方说,60%的钴来自刚果民主共和国,但大部分都是在中国精炼的。再次地,得益于分布广泛的自然资源和强大的工业生产能力,中国有望在一段时间内控制住电池行业,就像下面这张地图所示那样,大多数的生产线都集中在中国。

锂电池供应链地图

这种情况在某种程度上跟1970年代的能源形势有些相似,当时极度需要石油的西方国家对中东原油形成了依赖,被迫要忍受各种破坏性的禁运和危机。

除了供应链的不确定性之外,任何一个国家也绕不开贵重矿物开采地的情况。而且情况并不好,在非洲、拉丁美洲或东南亚,生产环境和自然环境都很不好。参与者必定面临供应链这一部分必须以某种形式加以改善的巨大压力。

最后,我们再来谈谈另一个与电动汽车相关的错误观念:回收利用。简而言之,处理报废的电动汽车电池再也不是问题。首先,以下是各种矿物质成分的可回收性状况:

资料来源:悉尼科技大学可再生能源矿物质来源

资料来源:悉尼科技大学可再生能源矿物质来源

就像我们所看到的那样,尽管还有工作要做,但那只涉及到组件的一小部分。这个问题等到它出现的时候会得到解决的,那会是十年以后的事了。届时,收集废旧电池的渠道将会就位,由于严格的环境法规,对这些组件进行分离和再利所需要的湿法冶金等技术应该已经具备得到广泛采用了。

我们现在已经进入到这样一个时代,那就是政治和公众均已认识到,环境的紧迫性不再被视为对经济发展的障碍,而是经济发展的根本基础所在。在十年之内,可持续行驶数十万英里而几乎不需要维护的电动汽车将会成为常态。这一切之所以变得可能都是因为电池,随着电力生产以不同的借组过渡到低碳化,电池也会变得更加绿色。在这一点上,并不缺少让我们持乐观态度的论据。

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