碳中和储能的产业和技术创新机会|创·享 CGC-XView

华创资本

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· 9月14日

Early investor in frontiers.

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碳中和储能的产业和技术创新机会|创·享 CGC-XView

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8月28日, 「创·享」碳中和专场 ① ,由华创资本投资人张志超对话来自壳牌(Shell Plc.)北美研发中心 E-Mobility Application Scientist 刘超、隆基绿能战略高级经理李旭涛、有研(广东)新材料技术研究院钠离子电池项目负责人肖必威,一起探讨“碳中和储能的产业和技术创新机会”。 

碳中和产业横跨包括可再生能源、储能、新能源交通、智慧能源网络和高效利用、碳捕获利用等众多关键产业,同时涵盖了新材料、电化学技术、半导体技术、机械自动化、人工智能信息技术等典型交叉学科领域。 

本文摘取了当天直播部分精彩内容,分享如下: 

Outline:

1.中美在钠离子电池的研究的角度的对比; 

2.美国能源部在钠离子电池方向的布局; 

3.新能源光伏行业发展阶段和未来趋势; 

4.储能在新能源部署过程中的角色和相关业务模式; 

5.动力电池回收以及梯次利用; 

6.快充领域,材料维度有哪些创新的思路? 

7.电池的未来:钠电替代锂电?后锂电时代的突破点? 

8.风口上的“虚拟电厂”。 

张志超: 欢迎大家来到华创资本举办的创·享活动。今天的分享,我们请来了碳中和领域里来自产、学、研、投的资深专家。请各位先自我介绍下,你们关注哪些机会? 

肖必威: 我来自有研(广东)新材料技术研究院,主要负责钠离子电池项目。有研集团是工程应用研究院,我们关注材料落地应用中的合作机会,例如电池层面,我们需要做成较大规模的电池展示材料的性能,包括往后的上下游企业的对接。 

李旭涛: 我来自隆基绿能,负责战略。主要看光伏、氢能,以及相关新能源场景和应用机会。隆基绿能现在光伏行业里是头部企业,业务从光伏产业链到、绿氢。欢迎交流业务机会和战略合作的话题。 

刘超: 我来自壳牌(Shell Plc.)北美研发中心,主要负责E-Mobility Application的研究。目前最关心的几个领域,一个是储充一体,一个是充电的通信交流。我对EMS或BMS的初创公司,通过优化电池,或者对储充设计,不管硬件还是软件设计的供应商,还有初创公司比较感兴趣。 

张志超: 碳中和的范围很广,我们由光伏切入碳中和这个非常大的话题。今天光伏行业发展到了什么样的水平?先请旭涛分享一下。 

李旭涛: 光伏第一性原则,成本驱动,科技进步使得度电成本下降。最近两年,在没有补贴的情况下,已经有很好的下游电站收益了。 

全球来看,国内在建的西北大光伏基地、美国IRA、欧洲能源独立,这些动作都对光伏发电有巨大的需求。比如国内今年光伏的总发电量可能会超过100GW,特别是分布式方面增长非常快。 

行业快速增长的背后也有很多潜在问题,短期,例如产业链上游的原材料价格,特别是上游硅料的价格持续上涨,叠加强制配出,导致下游企业投资建电站的投资回报很有限。长期,还会有地缘政治的考虑,包括中美的关系、欧美印等国家自建光伏产业链。当然这个过程中,也有很多潜在的机会。 

张志超: 行业内怎么看待产业链上下游各环节的摩擦?尤其涉及到成本这样敏感的问题。 

李旭涛: 上游硅料的扩展周期要慢于下游电池组件的投资扩产和电站需求,所以会导致供不应求,价格上涨。理论上讲,很多上游硅料厂已经提升了产能,预计明年价格会有回落。产业链中也出现了从硅料到组件一体化的企业,比如硅料、电池的龙头通威,已经开始布局下游的组件,并以低价拿到订单。硅料部分自产自销会给它们带来很大的成本优势,这样的一体化对整个产业链也会有很大影响。 

张志超: 中美在光伏产业链上各自是怎样的发展态势? 

刘超: 首先,美国虽然有一些光伏组件、模块加工商,但制造成本还是比较高,很多还需要从中国进口。8月份美国出台的《通胀削减法案》通过税收的手段,对光伏、风能、电动车等行业进行大范围补贴,期待以此促进美国本土产业的发展,未来具体的发展还有待观察。我不太确定光伏和风能的发展前景,在我比较熟悉的储能领域,总体感觉是口号比较响,但是落地过程中有很多困难的地方。 

张志超: 从材料研究角度,肖博士有什么看法? 

肖必威: 从储能角度来看,上游材料是基础。我们对材料的研究,从一开始就要判定好,把它用在什么领域。因为很多材料用在储能领域,优势很突出,但用到动力电池领域,反倒是劣势。 

张志超: 目前动力电池回收以及梯次利用挺火,我理解驱动力之一是最近两年碳酸锂涨价。刘超博士如何看待这个问题? 

刘超: 我主要从技术方面探讨。首先,无论是储能还是电动汽车,锂离子电池目前主要有两种体系,一种是磷酸铁锂(LFP),另一种是镍钴锰(NMC)。LFP中很多元素不是很值钱,但是NMC当中的镍、钴,回收价值比较高。 

不过,从去年开始,这个格局有了变化。因为锂的价格上涨,LFP电池的回收也开始高歌猛进。虽然电车越来越多,但是欧美的电池回收并不多,不像国内发展得很快。之前看过一个报道,国内电池回收的产能是120万吨/每年,但对应的回收量只有2~3万吨,意味着收到的电池,能够真正处理的量是很少的。 

动力电池梯次利用的场景目前更多是工商业、5G基站、UBS备用电源以及小型光储一体系统,这些项目在尝试使用退役电池做储能的充电站。我记得,特来电有做过用退役电池进行光储一体的应用场景。但是,目前应用中的最大痛点是每个电池的一致性。因为动力电池和储能电池的技术要求是不一样的,包括电池容量、电压以及很多物理、化学性质的差异性。所以在后期的使用和维护过程中,有很多困难以及安全性问题。

电池回收是很好的愿景,但是回收的原材料在整个产业链中,能起到怎样的作用?我之前看过一个报告预测,到2030年,锂电池的回收能够占到锂电池总量的6%,甚至还有更悲观的预测,到2035年,这个占比是5%左右。我个人觉得通过回收是满足不了需求的。另外,回收的环节国内目前还没有相应的标准制定,更多的是小商贩在参与。欧美相对严格一点,产业联盟逐渐地在建立回收模式,也有很多第三方公司参与。 

李旭涛: 我对梯次利用的电池了解不多,平时关注的主要是与光伏相结合的储能场景,以及这些场景对储能的需求。新能源发电侧是需要储能的,现在国内是强制配储。电网的运行需要稳定,下游用电端也有很强的储能需求。整体来看,电源侧的共享储能商业模式的创新,有很大空间,上半年共享储能增长非常快。用电端,由于波峰和波谷的电价差,工商业也看到了储能的价值;对于户用端,高电价地区,自发自用、参与辅助服务等需求,也促进了储能增长的需求,特别是在国外的用户侧。 

张志超: 肖博士,很多材料会有结构稳定性的问题,其实梯次利用的一个诟病也是担心后续电池的跳水和材料稳定性,你如何看待电池出现的跳水情况? 

肖必威: 首先,我觉得梯次利用的想法非常好,但是从材料角度来考虑,我也理解为什么很多梯次利用电池不能做储能。三元材料本身有一定的危险性,尤其是已经衰减到一定程度的三元材料。核心原因还是结构的不稳定性,例如放氧或其它导致衰减的原因,都会产生不稳定的现象。磷酸铁锂电池相对好一点,它的衰减不会伴随太多材料本身的变化。 

我觉得梯次利用是目前的备选方案,市场在等两件事。一是,锂能够真正地做到自给自足,能够通过低成本的方式回收,这时当前的梯次利用是可取的;二是,其它的储能应用能够真正地替代锂电池,例如钠离子电池。

跳水也是我们在材料研究中遇到的很头疼的问题。某种设计的电池一开始按照某种方式预测,能够跑很久,但是突然到某个节点就不行了。材料可能有一些表面的副反应,或者累积效应。例如三元材料,它内部有个缺陷,这个缺陷的位置很有可能是伴随很多副反应产生的,以此为核心,周围伴随产生的副反应就会成为不稳定的因素。这些缺陷就极有可能产生跳水。负极的跳水问题相对好一点,因为石墨的材料特性,它不会马上挂掉。但是正极很容易产生裂纹,而且生长速度可能非常快,一旦突破某个边界,会突然出现问题。 

张志超: 各位能否分享下钠离子电池在中美发展的不同情况? 

肖必威: 2020年左右,美国能源部已经开始关注长时储能了,很多项目开始转移到这方面。当时我工作的西北太平洋国家实验室已经组织了相关的研究,做了白皮书。钠离子电池到现在,一直是美国政府很关注的方向,但还未形成国家层面的共识。 

2020~2021年,中国经历了钠离子电池起飞的阶段。之前钠离子电池是相对冷门的方向,锂电池是主角。最近一年多,伴随着锂的价格上涨和国家政策的重视,钠离子电池受到很大的关注,已经上升到国家政策层面了。 

张志超: 电池的成本层面,大家都有什么看法?例如,从正极的角度,目前的三个技术路线,层状氧化物、聚阴离子、普鲁士白/蓝,谁会更快跑出来? 

肖必威: 钠电池的正极发展,某种程度上是锂电池正极的翻版,能够借鉴锂电池的发展规律。在发展锂电池的时候,我们更多考虑层状材料,用的是镍、钴、锰等材料,而不用钛、铁、铜等。对于钠电池,我们目前还处在争论的阶段,而且钠电池的层状材料比锂电池更复杂。应用场景端,钠离子电池只能应用在低端的小电车、代步车、3C等领域,做乘用车的电池是不现实的。储能方向,钠离子电池正极材料接下来是过渡金属层状氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝类似物相互间的竞争过程。 

目前发展更快的是三元材料,但长期在储能领域更有潜力占据主要市场的会是聚阴离子体系。普鲁士蓝体系会有水结晶的问题存在,需要找到应对的方法。美国有一家公司用的就是在水里工作的普鲁士蓝体系,正负极都是。它也能跑到上万圈,但是就不再追求能量密度,这也是一种发展方向。 

我认为负极反倒是阻碍钠电池成本降低最大的问题。 刚出的工信部指导意见就明确指出,要加强硬碳负极材料等正负极材料的研究。因为硬碳目前原材料和整个工艺流程成本,很难低于10万人民币/每吨。现在石墨的成本在2~5万左右。如何用低成本的方式生产钠离子电池是需要攻破的难题。而且目前钠离子电池整体的市场不大,供应链端更多是国外进口,国内产业链和规模的发展,还需要一段时间。 

张志超: 钠离子电池是一个重要的储能力量,新能源发电的部署和储能有怎样的关系? 

李旭涛: 近期主要是满足比较强的短时储能的需要,短中期需要解决的是帮助调峰调频,长期是储能作为重要的环节参与到整个链条中。例如,最近欧洲有很多燃机退役,储能在这里面也能起到一些替代作用。 

我自己更关注还是哪些环节的商业模式能跑通。短期在锂电上涨的情况下,国内电源侧集中式的储能还是在拼价格,竞争很激烈,各环节的成本压力极大。在电价较高的地区,例如德国,用户端的电价很贵,最近又上涨了好多,同时自发上网收益在退坡,居民有更大的动力投入光储系统,提升收益和用电稳定性,这是个光储结合比较好的案例;同时VPP(Virtual Power Plants,虚拟电厂)的出现,在德国和澳洲也有很好的经济性。 

张志超: 刘博士看到有哪些值得在碳中和领域关注的创新? 

刘超: 随着动力电池技术的提升,能够装配的电池容量越来越大,带动快充相关设施的发展。大规模的快充设施对于局部电网的影响非常大。为了应对冲击,很多人会想,配合增加储能是否能解决这个问题?除了快充的能量补给之外,在闲暇时间是否能够参与到电力市场当中,例如峰谷套利,实现调平调峰。 

另外,通过什么样的方式和充电桩链接,直流母线或是交流母线,以及不同设计对应的成本,另外还有管理系统、能量分配系统的设计。宏观层面涉及到电网升级,如何把储能放入到快充体系的长期性战略当中。这些都是需要创新解决方案的领域。 

张志超: 说到快充领域,材料维度有哪些创新的思路? 

肖必威: 首先,快充时,离子在材料里需要具有比较好的迁移速率,能够满足这一点的材料就已经不多了。打个比喻,一个容量很大的体育场,入口有限,如何让场外人数众多的观众快速地进到场馆中找到对应的位置,离开时不留下任何垃圾,能够短时间内快速地离开,门口还不会有任何拥堵,能够满足这些要求的场馆本身是极少的。

储能层面,钠离子电池中有一些聚阴离子类的材料是具备快充潜质的,锂离子在里面传输会很快。这就涉及到液态电解质,钠离子要在表面进行去溶剂化的过程,就是摆脱了容器分子进入到材料内部,过程中需要克服很大的能量。从这个角度切入,需要从两个角度思考:一是,控制离子和电解液相互之间的作用,同时保证它有足够的传导性;二是,材料本身是否有很多路径可以进去,进去之后能找到对应的位置。 

另外,电池的工作不只需要离子,还需要电子,如何保证电子同时能很快地进出,这就需要同时具备高离子传导性和高电子传导性的材料。某种程度上是比较矛盾的,伴随而来会有很多相互牵扯的问题。最近我刚写的一篇文章就在讨论这个“ Triangle Problem”(三角形问题),很难满足每一项都达到最高,所有电池的研究都在寻求三种要求之间的最优中间点。对于不同的应用,中间点的位置是不一样的。

张志超: 没错。其实不只是学术研究,我们做早期投资的过程中,看电池材料领域时也会遇到很多矛盾的地方。性能、安全性、循环寿命,彼此之间有很多牵制。 

问题1: 我在TDK Ventures做投资,TDK是ATL(新能源科技有限公司 Amperex Technology Limited,简称ATL)的母公司。确实如刚才几位嘉宾分享,我们也看到了很多的问题、挑战和机会。 

在北美,我们很关注如何解决本土供应链的问题。目前,美国的EV渗透率只有6%左右。当我们的EV渗透率到50%以上,假设整个停车场50%或者70%都是EV,晚上需要一起充电,电网能不能受得了?如果V2H(Vehicle to Home,车辆到家庭)、V2G(Vehicle-to-Grid,车辆到电网)也作为储能的一部分,对电网的冲击有大?更多帮助电网的平衡,还是给电网的电力带来挑战?我个人的看法是,未来不管是虚拟电厂,还是各种储能设施、家用车,都可以变为储能一部分。越来越多的玩家参与电网的峰谷调节,储能的Energy Arch(能量拱)套利空间会不会越来越少?随着电网变得越来越聪明,作为储能领域的创业公司,往哪个方向研发比较好? 

刘超: 我们之前收购了欧洲最大的一家VPP(Virtual Power Plants,虚拟电厂)公司,在德国。我个人觉得还是比较保守的状态,因为VPP把这些不同的DR(Demand Response,需求响应)集合起来,需要用软件或者系统进行控制。有效的数据怎么进行调控?是不是占了很多带宽?进行这种交易与所得到实际cloud的成本相比,哪个多、哪个少,还很难说。毕竟现在VPP的体量还非常小。有些公司PPT做得特别好,把自己吹得天花乱坠,但全都基于模型预测,没有特别多的市场应用。我个人觉得,VPP还是要看之后的发展情况。 

至于V2G,需要特别关注对电池的影响。家用车如果参加V2G,肯定会多出很多循环次数,这种多循环次数肯定会对电池性能产生影响,AI技术通过控制这些电池,优化电池来减缓电池的衰减。但目前为止,能参与V2G的车型很少。据我了解,目前为止,北美能参与V2G的车型只有两种。怎么推广V2G?如何让OEM(Original Equipment Manufacturer,主机厂)能更加积极地参与其中,是非常有挑战的。

李旭涛: 现在VPP做得比较成熟的地区,一个是澳洲,另一个是德国。参与的企业有两种类型比较成功,一种类型的参与者,是品牌设备集成商,例如特斯拉、Sonnen。企业的优势是设备+软件设计较好,同时设计可以链接多个设备的系统。他们很早进入市场里,能把自己所有的设备甚至不是自己品牌的设备都连到一起,这是一种聚合和虚拟电厂的基础。另一种类型的参与者,是售电服务商。例如,澳洲的一些售电商直接给客户销售电或者配网。由于售电,有很多跟客户的接触,可以配套餐包提供给客户。这两种现在来看是较多的。我的看法相对比较中立,还是得等商业模式成熟。 

问题2: 我是南开大学在读博士,目前主要的研究方向,是关于未来的电池等级材料的一些设计,包括铝电、钠电的硅材料、纳米材料。相对于锂电,我们目前研究的材料,整体能量密度是偏低一点的。高能量比较多的材料,比如钠锂锰氧和钠镁锰氧。但是他们循环寿命较低,如果能解决,是否会有发展前景?目前锂电的能量密度已经基本上趋于平稳了,后面还有很多其它电池在追赶。也有一些研究表明,富锂材料能有效提高锂电的容量和能量密度。那么,是否后锂时代会通过材料实现翻身? 

肖必威: 这两个问题刚好我都有涉及。先说钠电,你讲得确实很有道理。对于很多钠电池,我们确实能够做到高能量密度,但是充电可能会到4.4伏,材料本身的稳定性是原因之一。同时,还得考虑电解液是否受得了。我认为是可以去做的,但是同时要兼顾电解液和材料本身的稳定性。有一些材料很有希望,例如钠锂锰氧和钠镁锰氧,但是可能在高电压下,会存在一个问题,就是锂材料本身迁移掉以后就回不去了;或者镁迁移的回不去了,或者是析氧问题。

关于富锂材料。这正好是我博士期间的工作内容,富锂材料确实非常有诱惑力的能量密度,但是富锂材料在液态电解质里可能不是最好的方案。因为液态电解质里会产生大量的质子,这个质子很有可能会是富锂材料的电压衰减的重要的来源之一。一旦进去,它可能会对内部造成氧的不稳定性或者是过渡金属的不稳定。固态电解质不涉及到质子传导,不涉及到质子的产生问题。如果我们能够很好地把富锂材料和固态电解质结合起来,同时能够做到4.6伏的固态电解质满足富锂的工作条件,我认为这将极有可能产生非常重要的影响。

我感觉富锂材料的翻身,某种程度上是需要固态电解质创造这个机会。当然它本身也存在丢氧的问题,因为电解液产生的质子对它造成了一系列的影响。我刚刚做完的一个工作还在审的,发现钠电池里如果电解产生质子和不产生质子,对层状材料,尤其高压稳定性,影响非常巨大。高电压下面存在质子和钠的互换过程,一旦质子进去以后,就会造成结构的不稳定性。所以我感觉不只是材料本身,还要从电解质是否耐高温共同去做,才可以提高能量密度和循环生命。 

问题3: 我是在北美上学的博士生,主要研究电池材料,即将毕业了,想请教下几位关于职业规划的建议。 

刘超: 我个人觉得,一开始不要把职业路线设太死板,遵从自己的内心做选择就好。刚毕业的年轻人,不管选择哪个方向,其实没有什么损失。我个人建议,有机会还是先去工业界实习。我当年博士毕业时,对新能源的应用有非常大的兴趣,正好那时候壳牌有职位出来。到壳牌工作之后,我一直从事新能源方面的工作,不光是技术研发,更多接触了项目经济性。做研究不完全是技术层面,必须得考虑到经济性。 

肖必威: 我选择了工作了几年后,从美国回来。如果不回国,都不知道钠电池可以这么火。这个感觉特别强烈,因为在美国的时候,很多时候就是关门做自己的事情,跟外界的接触其实比较少。我回国以后,最大的感触就是各行各业都在非常热烈地相互探讨,包括我们今天的活动,在美国没有的,因为他们根本就没有动机去做这种事情。我觉得回国以后,给我的感觉就是每个人都非常有动力去做很多的事情,包括国家、社会、资本,活力特别的强。 

问题4: 我现在就职于交通银行,整个国家大政方针是要求金融服务于实体经济。所以,现在银行业也在探索如何更好地服务于新业态。想要请教一下,未来一旦钠电这种储能可以大规模地应用甚至代替锂电,现有的EV或者充电的体系是否可以让钠电无缝地接入,或者发电、充电、用电这些相关的行业是否需要根据钠电的电池结构或者特性做一些联动化的调整?新的技术进来之后,对于原来的基础设施会不会有一些冲击跟挑战? 

刘超: 对电池产业链,包括负极、电解液、正极、电池组装,影响比较大,而对于充电,我个人觉得影响不是很大。毕竟充电就是提供一个动能,对电池体系是一个基础,不管用什么样的电池体系都可以做成。包括电车的电动系统、电控系统的影响也不是很大。 

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