美国能源部发布的“储能大应战”陈述（三）：锂离子电池和铅蓄电
锂离子电池广泛使用于固定储能商场和交通运送商场，它们也是消费电子产品中的首要电源。多家琛剖析组织估量，锂离子电池在未来10年内仍将占有储能布置的大部分商场份额。
储能技能正在从铅酸电池过渡到具有更长的循环寿数和作业寿数的电池，例如锂离子电池。可是，锂离子电池的易燃性是需求在体系工程规划进行改善的问题。而普鲁士蓝类钠离子电池是另一种供给高功率和极长循环寿数的新式电池，能够满意严苛的直流使用功能要求。美国动力部为此为开发和出产这种电池的一家草创公司供给了赞助。
1.锂离子电池商场
锂离子电池商场是添加最快的可充电电池商场。从2013年至2018年，锂离子电池在一切商场的全球出售额添加了一倍以上。交通运送职业在锂离子电池商场上占主导地位，也是添加最快的职业，各种轿车选用了60%的锂离子电池。依据Avicenne公司发布的调查陈述，全球锂离子电池商场规划在2018年为400亿美元，如图9所示，这相当于在全球布置172GWh的电池储能体系，到2019年增至195GWh。
几家剖析组织猜测未来十年的锂离子商场开展趋势。其根本假定以及剖析中包含的商场取决于具体的来历。本节概述了这些剖析和假定。
图9.全球锂离子电池在未来10年在各种商场的使用
图11. Avicenne公司对锂离子电池在全球各地商场的布置猜测
彭博社新动力财经公司(BNEF)和Avicenne公司猜测了2030年全球一切商场的锂离子电池布置状况，别离如图10和11所示。彭博社新动力财经公司猜测，锂离子电池在全球消费类电子产品、固定储能商场和运送范畴的使用将超越2TWh。Avicenne公司的猜测涵盖了以下两种状况的商场以及其他商场(例如医疗设备和电动工具)，而两项研讨中，都以为交通运送职业将选用90%以上的锂离子电池。彭博社新动力财经公司(BNEF)估量到2030年运送职业选用的锂离子电池容量将到达1.8TWh，而Avicenne公司估量到2030年运送职业选用的锂离子电池容量将到达0.7～1.0TWh。
世界动力署(IEA)发布的《2020年全球电动轿车展望》陈述只评价了交通运送职业，并按国家和区域猜测了混合动力和插电式混合动力电动轿车(xEV)的销量。评价的第一种状况是“既定方针，并依据当时的方针、方案和方针办法。此方案包含各国完结的混合动力和插电式混合动力电动轿车(xEV)布置方针、燃油车辆筛选方案、购买鼓励办法，以及针对全球七个首要商场(美国、欧盟、我国、日本、加拿大、智利、印度)。还考虑了原始设备制作商发布的有关扩展混合动力和插电式混合动力电动轿车(xEV)车型规划的方案以及扩展其产值的方案的公告。
依据世界动力署(IEA)发布的STEPS方案，到2030年，全球车辆所需的锂离子电池容量为1.6TWh，这与彭博社新动力财经公司(BNEF)估量的1.8TWh类似。图12和图13别离按移动性细分和区域具体说明晰世界动力署(IEA)的STEPS方案。如图12所示，轻型车辆是选用移动式锂离子电池的最大类别。而我国具有最大的移动锂离子电池商场，如图13所示。图12.依据世界动力署(IEA)STEPS情形下估量的全球锂离子电池布置量(按车辆类别：电动客车、轻型车辆、中型和重型车辆)
图13.依据世界动力署(IEA)STEPS情形下估量的全球锂离子电池布置量(按区域)
锂离子电池容量是依据全球轿车出售量(按类别)以及每种轿车的典型车载电池尺度预算得出的。
世界动力署(IEA)还评价了第二种方案“可继续开展方案”，该方案假定混合动力和插电式混合动力电动轿车(xEV)占有了全球轻、中、重型车辆和公共轿车的30%的轿车出售份额。在这种状况下，到2030年能够添加多达3TWh的锂离子电池容量。图14比较了世界动力署(IEA)的这两种状况。
图14. 依据世界动力署(IEA)STEPS情形下，在xEV职业中估量的全球年度锂离子电池布置量
虽然有许多其他猜测，但欧洲电动轿车商场规划在2020年初次超越了我国，估量2020年将超越100万辆电动轿车。这种添加与欧洲的继续方针和补助有关，而我国则减少了其电动轿车补助。例如，德国已设定了到2030年出产710万辆电动轿车的方针，并为每辆新式电动轿车和混合动力轿车供给最高9000欧元的补助。德国还将在电池的研讨和出产上出资超越15亿欧元，方案到2025年开端扩展出产规划。
为了支撑电动轿车商场的快速扩展，许多厂商都在出资电动轿车充电基础设备。全球电动轿车充电端口现在超越了100万个，这是曩昔三年总和的两倍。欧洲是电动轿车商场扩张的领头羊，其电动轿车充电基础设备在2017年至2020年之间添加了五倍。在同一时期，我国添加了158%，美国的添加了65%。而在氢燃料电池轿车方面进行了很多出资的日本只添加了30%。
与交通运送职业的添加比较，固定储能添加比较陡峭。这一般是因为可再生动力一般是本钱最低的发电来历，可是需求存储其电力以减缓可变性。而美国是全球固定储能布置的领导者。例如，在太阳能发电设备代替装机容量为9GW的天然气发电设备之后，加州电网估量需求布置装机容量为12GW的储能体系进行平衡。到现在为止，加州公用事业委员会已同意了装机容量总计为5.1GW的电池储能体系，方案到2022年完结布置。
2.锂离子电池的制作图15.全球锂离子电池出产区域
如图15所示，全球锂离子电池制作的大部分都在我国、美国、亚洲其他国家和欧洲各国。现在，我国以将近全球电池产能80%(电池容量为525GWh)占有商场主导地位。此外，到2025年电池产能将到达1400GWh，其商场占有率超越60%(图16)。比较之下，美国落基山研讨所估量2023年全球锂离子电池的出产才能为1300GWh，其间一半在我国。
图16. 方案建造(蓝色)或在建(赤色)的锂离子电池制作工厂出产才能
美国是全球第二大电池出产国，其电池出产才能为当时全球电池出产容量的8%，这首要归功于内华达州运营的特斯拉和机松下公司合资的电池工厂。而现在美国正在建造更多的电池出产工厂，而凭仗活跃的新法规和政府支撑的融资，欧洲的电池制作业有望明显添加。
虽然当今我国在电池制作业中现已建立主导地位，但由交通运送职业推进的添加或许会改动未来的全球脚印。欧洲为在本地和区域性添加拟定了强有力的方针和鼓励办法。欧洲电池联盟猜测，到2025年，欧洲的电池制作职业规划或许到达2500亿欧元。现在，方案在法国的杜文市和德国的凯撒斯劳滕建造两个大型出产工厂，这些工厂能够为100万辆电动轿车出产电池。法国和德国在电池出产的出资别离为15亿欧元和35亿欧元。
图17和图18总结了锂离子电池的四个首要部分的全体制作才能：阳极、阴极、电解质盐和电解质溶液。现在，锂离子阳极首要由石墨组成，并首要由五个国家出产：我国、日本、美国、韩国和印度，别离占到全球产值的76%、13%、6%、4%和1%。锂离子阴极在9个国家和区域出产，其组成跟着新的低钴化学技能的开展而改变。超越一半(58%)在我国制作，其次是日本和韩国，它们别离占近17%。美国出产的阴极不到全球的1%。我国制作占多数。图17.全球锂离子电池组件制作散布
电池和质料(例如金属)的供应和精粹以及各种锂离子化学物质的分配是锂离子商场上的重要考虑要素，但不在本文档的规划之内。
3.锂离子电池研制
美国动力部车辆技能办公室现已确认了xEV电池(以及12V起停动力电池)的商业化所面对的首要应战：本钱、功能、寿数、耐受性、收回使用和可继续性。针对这些改善的要害研讨范畴包含：
•快速充电才能
•硅阳极
•高能的低钴阴极
•高压阴极
•高压电解液
•锂金属阳极
•固态电池
•电池收回。
图18供给了xEV锂离子电池的本钱和技能开展趋势。图19概述了候选电池技能及其满意美国动力部(DOE)本钱方针的或许才能。因为不同电池技能的差异很大，电池研讨还包含多个活动的重点是处理整个电池供应链中的高本钱范畴。
图18.电动轿车锂离子电池的本钱和技能趋势
图19.未来各种电池技能本钱下降的潜力
三、铅酸电池
铅酸电池现在现已广泛使用在交通运送和固定储能商场用，首要为一切类型的公路和越野车辆供给SLI服务。此外，铅酸电池很多使用在工业部门，其间包含电信职业备份电源、UPS和数据中心以及叉车。现在，用于电网相关储能体系的使用量相对较少。
1.铅酸电池商场
2013～2018年，全球铅酸电池年出售额添加了20%以上，到达370亿美元。现在，铅酸电池占到一切可充电电池商场的70%以上;铅酸电池出售额的75%来自轿车SLI范畴。江森自控公司以233亿美元的出售在轿车职业占主导地位。而Enersys公司以142亿美元的出售额在工业职业中抢先。图20和图21别离以使用场合和职业出售额(10亿美元)与储能容量(GWh)的份额展示当时的全球铅酸电池商场状况。
图20.按使用区分的2018年全球铅酸电池布置量(%GWh)
图21.按公司区分的2018年铅酸电池出售量
Pillot 公司猜测，到2030年，铅酸电池需求将以5%的年添加率添加(如图22所示)。虽然铅酸电池现在是固定和运送使用(关于SLI)中最常见的电池，但估量到2025年它们的储能容量(GWh)仍将抢先，但或许会滞后于出售额。期望在2020年及今后，轻度混合动力和启停混合动力轿车将成为高档铅酸电池的添加范畴。图22.估量全球一切商场的铅酸蓄电池需求
估量到2025年，新车的出售量将使铅酸电池需求或许小幅添加，到时其添加将趋于平稳(如图23所示)。因为替换电池的时刻比较频频(最短的作业寿数为3年)，虽然中型和重型车辆的电池规划更大，但因为它们在总销量中的明显优势，一切SLI使用(GWh)中有70%以上都来自轻型车辆(如图24所示)。
图24.按类别区分的轿车销量估量铅酸电池产能添加量
用于混合动力轿车起停(12V)的铅酸电池是铅酸电池商场潜在的添加范畴。微型混合动力轿车比传统轿车节约5%的燃料，其价格比全混合动力电动轿车廉价10倍。
如图25和26所示，2017年是固定储能商场铅酸电池快速添加的元年。图25标明，其添加首要是由我国的微弱商场需求推进的，欧洲也有一些添加，而美国的添加则很少。图26具体说明晰使用范畴细分状况。在2017年之前，固定商场首要是与电网相关的使用，此外工业用处也推进了爆炸性添加。
铅酸电池职业厂商以为，依据技能进步和商场开展，铅酸电池在未来的固定式储能商场中依然具有巨大的商机，其间包含：
·出资于电池双极规划以添加能量密度，并下降本钱。
·用户侧储能和其他对安全至关重要的使用。
·电信职业将在开展我国家开展，并用于5G技能的布置。
图25全球铅酸电池商场添加首要是由我国的微弱需求推进(2008年～2020年)
图26 铅酸电池在各种范畴的使用(2008年～2020年)
2.铅酸电池在美国的出产
在美国，铅酸电池职业的年产值为263亿美元。它们在美国国内出产，而且99%被收回。铅酸电池在美国18个州出产。此外，美国有10个州有电池收回设备，有9个州具有技能开发设备，还有10个州的公司为铅酸工业供给原材料(例如石墨)或设备。铅酸电池职业现已在美国38个州发明了近25,000个作业岗位(制作。收回、运送、分配和采矿)。图27和28别离显现了美国电池制作设备散布和发明的就业机会。
图27.美国铅酸电池职业及相关工业散布
图28美国各州与铅酸电池职业相关的作业散布
