2017年化學(xué)電源市場及技術(shù)發(fā)展趨勢總體分析

    長期以來世界化學(xué)電源市場與技術(shù)方興未艾，一直處于持續(xù)發(fā)展、甚至快速發(fā)展態(tài)勢。

    1、蓄電池市場及技術(shù)發(fā)展趨勢總體分析:

    在化學(xué)電源產(chǎn)業(yè)中，蓄電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為行業(yè)最大的支柱產(chǎn)業(yè)，2014年世界蓄電池產(chǎn)量超過了40萬MWh，銷售額達到600億美元。這正是傳統(tǒng)應(yīng)用市場需求持續(xù)增加、新型蓄電池（鋰離子電池為代表）產(chǎn)業(yè)發(fā)展與新興應(yīng)用市場不斷涌現(xiàn)，并快速增長的結(jié)果。特別是自2010年以來電動車電池入市和儲能電池步入規(guī)模演示以來，相關(guān)產(chǎn)業(yè)更被劃定為“新能源”產(chǎn)業(yè)，其技術(shù)與市場發(fā)展還得到了各國政府的高度重視與政策支持。

    作為世界上已有150年以上歷史的鉛酸蓄電池，當(dāng)今依然保持了在傳統(tǒng)蓄電池市場（汽車起動、通信、交通、工業(yè)、UPS等）的首要地位，且顯示持續(xù)增長態(tài)勢。市場規(guī)模由2010年的30萬MWh增至2014年的35萬MWh，銷售額由2010年的不足300億美元增至2014年的350億美元。預(yù)計2015-2020年間鉛酸蓄電池市場平均增長率可保持在5-10%，其中，在技術(shù)進步的基礎(chǔ)上，高性能EFB（富液）電池和AGM電池已經(jīng)用于汽車起停系統(tǒng)，且這兩種電池目前都已經(jīng)實現(xiàn)了大規(guī)模生產(chǎn)，成本雖略高于原先的起動電池，但是依然保持了鉛酸蓄電池價格低廉的優(yōu)勢，體現(xiàn)了減排CO2的高性價比，產(chǎn)品頗受歡迎。至2020年，預(yù)期傳統(tǒng)燃油車會下降至44%，微混車大升至50%左右。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，2010年“起�！避噧H有幾萬輛，但是2012年就已經(jīng)上升至228萬輛左右，超過了2011年所作預(yù)測。

    另外，鉛碳或超級電池技術(shù)顯著提升了電池壽命，顯示了低成本儲能應(yīng)用的可行性。因此，普遍預(yù)期隨著微混車輛普及和儲能系統(tǒng)的進一步發(fā)展，它們成為了2020年前鉛酸蓄電池市場持續(xù)增長的重要根基。

    對我國而言，鉛酸蓄電池作為電動自行車的動力電池市場一直蓬勃發(fā)展，它已經(jīng)成為小城市、特別是農(nóng)村地區(qū)的代步甚至運輸工具，這是中國形成的獨有產(chǎn)業(yè)與市場。2011年我國電動自行車年產(chǎn)量已達到3000萬輛，2014年進一步增至3500萬輛，占全球80%以上，完全代表了電動自行車市場的發(fā)展趨勢。此外，國內(nèi)還開發(fā)了鉛酸蓄電池為動力的微型或低速電動汽車入市,該車一般采用70V、11KW電機，價格僅為3萬元左右。這種車輛并沒有得到國家一級政府的認(rèn)可或批準(zhǔn)，但是諸如山東等省市接近農(nóng)村地域，市場非�；钴S。2014年局部地區(qū)市場上總計已超過了40萬輛。在這些車輛上的動力電池大多也是類似電動自行車的閥控式鉛酸蓄電池技術(shù)，使用壽命約3年左右。今后幾年，這一應(yīng)用市場依然呈現(xiàn)增長趨勢。

    鋰離子電池產(chǎn)業(yè)作為新興產(chǎn)業(yè)，雖目前處于蓄電池市場規(guī)模的第二位，但卻是市場發(fā)展速度最快的蓄電池產(chǎn)業(yè)，2004年至2014年的10年間，市場規(guī)模由7000MWh增至5萬MWh，年平均增長率高達21%。2014年銷售額已接近180億美元，預(yù)計2015年將會分別達到接近6萬MWh和250億美元。

    鋰離子電池不僅幾乎100%占據(jù)小型移動電子產(chǎn)品（如手機、筆記本計算機、數(shù)碼產(chǎn)品、電動工具、游藝機等），而且成為2010年正式上市的幾款純電動車與插電式電動車的動力電池。正是近幾年發(fā)展特別迅猛的智能手機與平板電子產(chǎn)品以及電動車（電動自行車與電動汽車等）的市場需求旺盛，更是促使了鋰離子電池產(chǎn)業(yè)與市場的持續(xù)快速增長以及電池技術(shù)的持續(xù)進步。尤其是平板電子產(chǎn)品與智能手機迅猛發(fā)展不斷推動著鋁塑膜包裝鋰離子電池的應(yīng)用和向更高容量化發(fā)展，體積比能量已從原先的500Wh/L提升至550-650Wh/L，這直接涉及材料改性（高電壓LCO正極材料的改性、電解質(zhì)耐高壓功能添加劑、減薄隔膜加陶瓷涂層等）與新材料（硅基負(fù)極）等的進展。電動車迫切需求的電池比能量與比功率提升、安全提升、壽命增長以及成本下降，它們都體現(xiàn)在各國政府重點創(chuàng)新研究計劃的內(nèi)容與研究目標(biāo)中。

    自2010年純電動車（含插電式電動車）宣布入市以來，均采用了鋰離子動力電池，其單體電池的最高比能量水平達到了157Wh/kg和320Wh/l。但是為了確保車上運行的綜合性能、特別是安全要求，其模塊的值分別降至133Wh/kg與197Wh/l；系統(tǒng)更進一步降至82Wh/kg與73Wh/L。在應(yīng)用與技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上，上述車載電池系統(tǒng)的比能量已經(jīng)提升至100Wh/kg左右。另外，美國特斯拉Model S純電動轎車的動力電源由6381只圓柱形18650電池組成，其標(biāo)稱容量為3.4Ah。2.6Ah圓柱單體電池比能量已超過200Wh/kg，而3.4Ah電池則進一步提升至250Wh/kg以上，是當(dāng)今電動車上獲得應(yīng)用的動力鋰離子電池中最高的。

    我國國家汽車產(chǎn)業(yè)振興計劃和《新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》促進了新能源汽車動力電池的發(fā)展。2012年國家推出的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020年)》，到2015年全國新能源汽車?yán)塾嫯a(chǎn)銷量要達到50萬輛。到2020年，我國新能源汽車年產(chǎn)能要達到200萬輛，累計產(chǎn)銷量達到500萬輛。然而，自2009年“十城千輛”示范工程推出，至2013年底，我國實際銷售新能源汽車僅為4.83萬輛，其中2013年為1.76萬輛，這大約相當(dāng)于美國新能源汽車同年銷量的18%。2014以來，為了有效推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，政府在以往“十城千輛”新能源汽車示范工程基礎(chǔ)上加大了推廣力度，將試點城市及城市群擴展至39個。當(dāng)年我國電動汽車市場銷量激增超過300%，達到74763輛。而今年上半年市場銷售已經(jīng)達到71102輛，預(yù)計2015年電動汽車市場總量會超過20萬輛。這些車輛全部采用鋰離子電池，但是除大部分使用磷酸鐵鋰正極材料外，已經(jīng)有使用三元正極材料的電池。前者比能量達到120Wh/kg左右，后者比能量則可超過180Wh/kg。

    報道表明，世界動力電池的技術(shù)發(fā)展方向都是以提高比能量和降低成本為主要目標(biāo)，期待2020年單體電池比能量達到300-350Wh/kg，我國更提出1元/Wh的成本目標(biāo)。

    堿性蓄電池產(chǎn)業(yè)中，金屬氫化物鎳電池在當(dāng)今商品化混合動力汽車（HEV）保持應(yīng)用和小幅增長，而鎘鎳電池因有毒而逐漸退出，僅保持在高功率電動工具用戶的部分市場以及低價位無繩電話、電動玩具等市場的應(yīng)用（市場呈年均降速2%的態(tài)勢）。按照規(guī)定，2017年1月1日起電動工具將嚴(yán)禁使用鎘鎳電池。

    日本公司致力于發(fā)展了新型電池關(guān)鍵材料選擇與優(yōu)化配方，其中采用AB3.5儲氫合金組成與結(jié)構(gòu)為負(fù)極的AA型Ni/MH電池的低溫性能，由原2400mAh提升至2013年的2450mAh；儲存后的荷電保持率由采用AB5的50%/年提高至2013年的90%/年（接近堿性原電池的低自放電率）；循環(huán)壽命由原1500次延長至6000次。

    2、原電池市場及技術(shù)發(fā)展趨勢總體分析：

    原電池產(chǎn)業(yè)是化學(xué)電源行業(yè)的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。其中，鋅錳電池與堿性鋅錳電池的單體形狀與尺寸是國際標(biāo)準(zhǔn)化的、價格便宜，使用方便，自放電低，長期以來較好地保持了其傳統(tǒng)市場，如作為家用電器遙控器、電子鐘表、家用醫(yī)療器具（血壓計、血糖儀等）、電動玩具、游戲機、手電筒照明、照相機、電動刮胡刀等的電源進入千家萬戶。原電池屬易耗品，替換市場很大，它們已經(jīng)進入了超市銷售，該市場顯示穩(wěn)中有升，特別是隨著家用電器和個人用電器具增加而增長，故大多數(shù)發(fā)展中國家是新的增長點。

    近十年來，鋰原電池作為長儲存壽命（低自放電）電池，已大量應(yīng)用于各類自動計量用具做備用電源或電源，如智能電表、水表、氣表、數(shù)字式測量器具（如卡尺）以及新近擴展的TPMS輪胎壓力檢測系統(tǒng)、ESL電子貨架標(biāo)簽、有源汽車通行卡、ETC卡座、可穿戴產(chǎn)品-智能魔術(shù)手環(huán)、銀行密鑰（動態(tài)口令牌）、血糖儀、汽車遙控器、電動車GPS定位系統(tǒng)、可視銀行卡等，這一市場依然處于持續(xù)擴大中。另外，近來的電子煙也需要一個小型高功率電池，僅使用一次隨煙拋棄，新增電池市場量也不容小視。

    目前，原電池市場上主要是1.5V堿性與普通鋅二氧化錳電池系列；3V鋰電池系列（Li/MnO2、Li/CxF、Li/FeS2以及Li/SOCl2、Li/SO2）。鋅錳電池技術(shù)進步體現(xiàn)在高容量化與無汞化，鋰電池則體現(xiàn)在材料改善提升電池性能（如近年來納米化材料研究進展，鋰氟化碳電池的比能量由200Wh/kg提升了一倍以上）。

    3、燃料電池市場與技術(shù)進展簡明分析

    直到2014年，燃料電池的產(chǎn)業(yè)與市場規(guī)模都還是很小的，與期待21世紀(jì)開創(chuàng)一個氫能經(jīng)濟新時代距離甚遠(yuǎn)。

    當(dāng)今，燃料電池的市場應(yīng)用發(fā)展主要集中于兩個領(lǐng)域，首要應(yīng)用就是燃料電池電動車，各國政府對此給予了財力和政策支持。

    德國把燃料電池發(fā)展按照成本、或催化劑用量等定義為一代、二代和三代，現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)了第三代技術(shù)。日本政府以及各大汽車企業(yè)一直支持氫燃料電池技術(shù)開發(fā)，特別是日本豐田公司于2014年12月15日宣告其燃料電池轎車 “Mirai”生產(chǎn)入市。鑒于高壓氫瓶的發(fā)展（70Mpa、122.4L），一次裝滿氫需3分鐘，可以使燃料電池轎車行駛650km。定價為723萬日元，政府補貼200萬日元。目前日本加氫氣站100個、2020年1000個、2030年預(yù)計達到5000個。

    燃料電池另一個應(yīng)用領(lǐng)域就是作為固定電源，提供備用供電或及時供電/供熱。2009年開始，日本已經(jīng)推出一種共發(fā)電發(fā)熱系統(tǒng)，它是由天然氣作燃料，經(jīng)由重整轉(zhuǎn)化成氫源，提供給燃料電池發(fā)電與產(chǎn)熱（熱水），供家庭使用。2009年以來，累計供應(yīng)量達到10萬套。其中技術(shù)水平進步表現(xiàn)在轉(zhuǎn)換效率和使用壽命，2009年轉(zhuǎn)換效率（熱加電）只有80%，壽命40000小時；2015年可達95%和70000小時。同時一套1kW系統(tǒng)的價格也從原先的330萬日元降至160萬日元。由此，日本實現(xiàn)了該電池系統(tǒng)的小規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，并將其推向初步市場應(yīng)用。

    從實用化與商品化角度分析，燃料電池作為電動車驅(qū)動電源，還有一系列問題需要解決，包括性能（如低溫啟動性能等）、壽命（間歇操作下累積10000h以上）、適應(yīng)各種環(huán)境條件操作（如CO2和含硫濃度較高等）、成本達到可接受程度等。同時，解決氫氣的低成本與安全生產(chǎn)、運輸和高密度罐貯等問題。

    4、超級電容器市場與技術(shù)進展簡明分析

    利用電極/電解質(zhì)交界面的雙電層來儲能的超級電容器（“電化學(xué)電容器”）具有很快的充放電速度，即可以大電流充放電的能力，顯示高比功率。國際上早已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)品從法拉至數(shù)百法拉，主要用于計算機與各種小型用電設(shè)備的電源或備用電源（從0.1法拉至數(shù)法拉）。作為電動車或儲能系統(tǒng)應(yīng)用的超級電容器依然處于示范階段，主要是由于其儲電量有限，比能量很低。為了提升比能量，采用有機電解質(zhì)提高工作電壓至2.4V（也有提高至3V左右），這樣比能量一般也只能達到20Wh/kg左右。近幾年來，混合型（碳電極和反應(yīng)電極組合）原理的超級電容器得到發(fā)展，比能量可以提高至40Wh/kg，甚至更高，但是比功率也隨之降低。超級電容器技術(shù)發(fā)展需求依然是在保持高功率特點基礎(chǔ)上，提升比能量，降低成本，以便擴展其在未來儲能系統(tǒng)與混合動力車輛中的應(yīng)用。

    5、儲能電池（含鈉硫與液流電池）市場及相關(guān)技術(shù)發(fā)展趨勢分析

    作為新興產(chǎn)業(yè)，儲能在2008年之后一直保持較快增長，全球儲能項目在電力系統(tǒng)的裝機總量從2008年的不足100MW發(fā)展到2014年6月的761.8MW（不包含抽水蓄能、壓縮空氣儲能及儲熱數(shù)據(jù)），年復(fù)合增長率達到193%。從地域分布上看，無論是項目數(shù)量還是裝機規(guī)模，美國與日本仍然是最主要的儲能示范應(yīng)用國家，分別占40%和39%的全球裝機容量份額。中國的累計裝機比例從2013年的7%上升為10%，儲能裝機規(guī)模為57.3MW。

    從全球技術(shù)分類上看，鈉硫電池的裝機比例仍占第一位，為40%，但比2013年下降了6個百分點，鋰離子電池的裝機比例為35%，位居第二，排名第三的是鉛蓄電池，占11%；在中國市場，鋰離子電池的應(yīng)用比例最高，超過70%。從全球應(yīng)用分類上看，儲能技術(shù)較多地應(yīng)用于風(fēng)電場/光伏電站、輸配側(cè)和輔助服務(wù)市場。

    當(dāng)前，發(fā)達國家已經(jīng)走在儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前列，通過政府扶持、政策導(dǎo)向、資金投入等多種方式積極促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展，意圖建立行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，搶占全球儲能技術(shù)和市場制高點。歐盟許多發(fā)達國家和東南亞的多個國家也出臺了一系列投資補貼和稅收優(yōu)惠等政策，鼓勵投資和引進儲能技術(shù)、建設(shè)各類儲能項目，研究和開發(fā)前沿儲能技術(shù)，并在電力發(fā)電及輸配、離網(wǎng)孤島應(yīng)用及智能微電網(wǎng)中積極推廣和利用儲能技術(shù)。美國、德國、日本為代表的海外儲能市場已全面啟動，開始進入第一輪爆發(fā)增長期。

    鈉硫固體電解質(zhì)電池曾經(jīng)被看好是一種較為理想的儲能電池，其電極材料資源豐富（鈉取自資源豐富的海水，硫來自豐富的含硫礦源），價格便宜。2011年由于鈉硫電池儲能系統(tǒng)大量增加，儲能系統(tǒng)市場總量曾達到1500MWh，是2012年的3倍。但2011年底前發(fā)生了兩起鈉硫電池儲能系統(tǒng)著火事故，迫使日本NGK公司宣布停止生產(chǎn)，造成了次年的市場大幅度萎縮。

    基于長壽命的特點，液流電池在儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用受到重視。其中，美國、日本、中國、德國都有了該電池儲能系統(tǒng)的示范。而日本和中國是有了一定規(guī)模“全礬液流電池”產(chǎn)業(yè)化和相應(yīng)生產(chǎn)能力的國家。

    6、電池關(guān)鍵材料及相關(guān)設(shè)備市場及技術(shù)發(fā)展趨勢分析

    事實上，新型鋰離子電池的快速發(fā)展離不開產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展支持，同時產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)與擴展更離不開鋰離子電池市場的發(fā)展要求。2014年，世界鋰離子電池銷售額中，終端模塊與系統(tǒng)創(chuàng)造總價值為196億美元，而單體電池為136億美元，生產(chǎn)正極材料10.5萬噸、價值25億美元，負(fù)極材料5.7萬噸、8億美元，電解質(zhì)4.4萬噸、6.8億美元，隔膜6.95億m2、11.5億美元，粘合劑7400噸、2億美元，其它零配件8億美元。由于電池市場的持續(xù)增長，2014年電池產(chǎn)業(yè)鏈各成分增長率都超過14%以上，其中電解質(zhì)高達20%、隔膜達18%。

    “十二五”期間，我國鋰離子電池所需不少關(guān)鍵材料，尤其是電解質(zhì)的關(guān)鍵材料LiPF6和PP或PP/PE復(fù)合隔膜等，都實現(xiàn)了國產(chǎn)化與本地化，這些材料的進口昂貴，曾直接影響了我國鋰離子電池的制造成本。2013年國產(chǎn)LiPF6具有明顯的市場價格優(yōu)勢，售價約為50～120元/kg（或 $8～20/kg），而國外材料價格約$12～30/kg。“十二五”期間，我國電池設(shè)備（包括材料制造設(shè)備）制造突飛猛進，許多大型鋰離子電池制造企業(yè)也在利用中國設(shè)備與進口關(guān)鍵設(shè)備，組成先進的自動化與高度可控的生產(chǎn)線（包括電極涂膜、電池卷繞或疊片、電池組裝與定量注液、自動焊接或鋁塑膜電池封裝等）。此外，配合電動汽車成套電池系統(tǒng)的設(shè)計、制造與檢測，仿真、電子控制與熱管理等技術(shù)得到迅速發(fā)展，形成了我國自己的大型電池系統(tǒng)制造與配套體制。

    7、電池回收/再利用產(chǎn)業(yè)創(chuàng)立及關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢分析

    鑒于“十二五”期間對鉛酸蓄電池行業(yè)進行了整頓、實行了許可證制度。其中，最主要的是推動了生產(chǎn)過程和回收過程中鉛污染防治與嚴(yán)格治理，凡通過審查的企業(yè)方發(fā)給生產(chǎn)許可證。由此我國鉛酸蓄電池行業(yè)出現(xiàn)了數(shù)量減少，生產(chǎn)/回收控制與管理上正軌的新局面。

    鋰離子電池應(yīng)用于電動車和儲能系統(tǒng)，致使總量增加巨大，回收與再利用受到各國的重視。但是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還需持續(xù)深入研究，找出既清潔、又經(jīng)濟的回收與再利用技術(shù)方案，在進行規(guī)模示范基礎(chǔ)上，創(chuàng)建相關(guān)回收或再利用產(chǎn)業(yè)。<