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保时捷咨询:电池制造2030

3月前浏览5411

洞察:

1. 产业集群是促进经济繁荣的基石。蓬勃发展的电池行业提供了在西方经济中建立一个新基础的机会。

2. 与许多产业集群一样,机械和工厂工程具有关键的重要性。新兴的电池行业为技术创新提供了许多可能性。

3. 尽管全球经济放缓,但电池行业的年增长率超过30%,是欧洲和北美经济扩张的重要途径。

提要:

随着电池市场在不到十年的时间里从200亿欧元迅速增长到5500亿欧元,出行和能源转型提供了前所未有的机会。如果设备制造商能够超越竞争对手,并以令人惊讶的50%复合年增长率增长,他们就有机会从这种繁荣中受益。即使保持目前的市场份额,也需要35%的快速复合年增长率。

关键问题是,亚洲以外是否会出现第二个电池集群。目前,亚洲在电池制造设备上占有92%的市场份额,而欧洲只有8%,这意味着亚洲公司定义了行业标准。要增长到20%的市场份额——这是第二个可行集群的先决条件——欧洲和北美的制造商、设备供应商和公共实体需要走到一起合作。如果做不到这一点,亚洲将加强其领先地位,并保持90%以上的设备市场份额,从而阻止第二集群的形成。

应对这一挑战需要所有利益攸关方之间开展新形式的合作。德国中小企业需要在全球舞台上采用一种新的商业思维。欧洲和北美的参与者需要合作,电池OEM和设备制造商也需要合作。最后,设备制造商之间需要合作和协作。应对技术和结构性挑战的规模、速度和复杂性加剧了合作的任务。

巨大的挑战带来巨大的回报。到2030年,设备制造商可以打开一个价值高达3000亿欧元的市场,并为向绿色经济过渡做出有意义的贡献。此外,制造商将能够解决未来影响电池生产的设备瓶颈,并通过在亚洲以外建立第二个可行的电池生产集群,在确保技术主 权方面发挥重要作用。

1. 一个新的行业崛起:5500亿欧元的增长机会

电池行业——包括电池制造商、包括采矿、精炼和活性材料在内的材料、设备制造商和其他系统参与者——正以创纪录的速度增长,从本世纪初的200亿欧元飙升至2030年估计的5500亿欧元

我们很少能观察到一个价值数千亿欧元的新行业几乎是实时出现的。电池不仅是一个以令人惊讶的速度蓬勃发展的行业,而且正在推动目前正在进行的能源和出行转型。它们还提出了有关欧盟和北美能源安全和工业政策的重要问题。

市场

新行业的快速增长使半导体市场黯然失色,后者在2022年达到了类似的规模。半导体用了40年才达到5500亿欧元的规模,而电池行业将在短短10年内实现飞跃,呈现出惊人的增长机会,复合年增长率为30%至40%或更高。在2030年底之前的80个月里,行业第一二梯队的公告显示,全球计划建设200多家电池工厂,平均每月约2.5家新工厂。这种前所未有的增长速度,我们称之为“疯狂曲线”,意味着一家在2023年收入为1亿欧元的设备制造商,到2030年将达到10亿欧元以上的收入。这是一个前所未有但也充满挑战的前景。

能源转型是关键的需求驱动因素,其中电动汽车(汽车、卡车、公共汽车等)是最大的细分市场。电池销售的最大份额(86%)用于出行,另外12%用于住宅和商业或工业环境的固定储能。消费电子产品曾经是电池的唯一客户群,现在只占电池需求的2%。实现能源安全还取决于电池和氢气(H2)的充足储存。风能和太阳能只有在有足够的存储容量的情况下才能满足电力需求。太阳能产业已经依赖于亚洲供应商来满足其需求,这对能源转型的未来提出了关键问题。

产业集群

电池行业是一个相互关联的参与者集群,类似于汽车集群等其他产业集群,其核心包括电池制造商或原始设备制造商,以及周围的设备和组件制造商,模组和电池包制造商等系统专家,以及材料供应商和其他相关公司。

这个行业的与众不同之处在于,它的众多参与者迅速在亚洲建立了集群,并扩大了自己的市场地位。以消费电子产品为主的老牌企业占据主导地位,其中中国的宁德时代、比亚迪、SVOLT、CALB、Gotion、Sunwoda、韩国的SK Innovation、三星、LG和日本松下。拥有电池价值链关键部分的十大电池生产商集中在三个国家:中国、韩国和日本。

虽然已有数百家公司宣布了建立电池工厂的计划,但我们预计只有少数可行的企业会成功。生存的主要标准将是:获得资金、有竞争力的产品和制造技术,以及长期保证销量。在资本方面,需要超过100亿欧元来达到有竞争力的规模并确保垂直整合。至于产品和制造技术,我们已经看到,在这方面落后的企业的运营利润率非常低,因为它们需要达到更高的产量,才能从规模效应中受益,从而使设备和电池的价格更低、更有竞争力。

全球电池生产的十大领军企业都宣布了建造超级工厂的计划,另有100家企业和新进入者也计划建造类似的大型工厂。在这个新的生态系统中,还有另外100家公司希望为小众应用构建更小的“巨型工厂”。

这一雄心勃勃的扩张计划将建设超过200座超级工厂,为设备制造商提供了与两组大型电池生产商合作的机会:全球十大领先企业,以及正在努力追赶并寻找新合作伙伴的追随者。在这个十年里,一个超过3000亿欧元的市场在召唤着以电池OEM为核心的设备制造商。欧洲设备制造商带来了相关的能力、专业知识、能力和卓越的国际声誉,但目前只有8%的全球市场份额。释放一个新的增长机会,包括组件和包装组装机械,可以使它们在2030年达到20%或更多。

现在是行动的时候了。比较汽车、半导体和新兴电池集群的发展,可以为我们提供有价值的见解。欧洲拥有一个强大的汽车集群,由核心的原始设备制造商及其供应商和设备制造商组成,所有这些都专注于生产传统内燃机汽车。仅在德国,就有五分之一的工作岗位依赖于这个集群。然而,展望未来,汽车竞争力取决于掌握数字化和纯电动汽车(BEV)的性能。

要建立一个成功的新电池集群,就意味着现在就要打好基础,进入一场艰苦的竞赛,这需要专注、资源和决心,否则就太晚了。

(未完待续)


来源:小明来电
半导体汽车电力电子消费电子风能材料工厂
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首次发布时间:2024-07-26
最近编辑:3月前
小明来电
硕士 新能源干货,尽在小明来电~
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调研:替代电池技术路线图2030(4)

2. 替代电池技术2.5 金属硫电池2.5.2 钠硫室温电池即使钠硫室温(Na-S RT)电池(TRL 4)的技术成熟度仍然远远落后于Li-S电池,但它们代表了一个非常有趣的替代方案,因为它们用Na取代了资源关键的Li。总的来说,这是一种几乎完全不含有问题原材料的存储解决方案,并且可以非常经济有效地生产。虽然Na-S HT电池已经取得了一些商业突破,但RT技术仍处于研究阶段,目前还没有已知的商业活动。技术Na-S的放电电压为2.3 ~ 1.7 V。在短期内,300 Wh/kg的能量密度是可能的。理论上,能量密度可以达到1200 Wh/kg以上,大约是Li-S理论值的一半。到目前为止,实验室概念的结果只显示了低倍率<1C的循环。应用和市场相关性Na-S RT电池在固定存储领域的应用与Na-S HT电池类似。Na-S高温电池的加热和安全特性似乎适合于中到大规模部署,例如在兆瓦时存储中。然而,随着RT电池的可用性,Na-S电池可以在未来以更小的规模和更低的复杂性部署。Na-S电池的理论能量密度对于移动应用来说也很有趣。在体积能量密度方面,Na-S电池还没有达到Li-S或LIB的基准。由于Na-S电池的技术尚未成熟,因此无法确定进入市场的具体时间,但专家们预计在2035年之后可能实现商用化。成本、资源、生产和供应链到目前为止,还没有Na-S电池的供应链。金属钠不能作为箔片,只能以棒状购买。对于电池生产,假定Li-S电池具有可转移性。由于金属锂是Li-S电池电池成本的主要驱动因素,因此用钠代替锂几乎完全消除了原材料价值。同样,当使用Na时,Al也可以用作阳极侧的电流导体,与Cu相比,这将进一步降低成本。2.5.3 钠硫高温电池20世纪60年代,福特汽车公司的Weber和Kummer首先描述了Na-S - HT电池,作为固定式储能系统,Na-S - HT电池已经取得了商业上的突破。由于其工作温度高,这种电池系统也被称为热电池或熔融钠电池,不应与在室温下工作的Na-S RT电池混淆。技术Na-S HT电池的主要成分是由陶瓷β-氧化铝组成的固体电解质和液态的Na和S电极。电解质仅对钠离子具有渗透性,用作圆柱形管,其中放置液态钠作为阳极。这些电池在电和机械上相互连接,并被安置在一个温度保持在300-350°C范围内的热罩中,以保持电极的液态。单独的热管理系统在运行过程中提供初始加热和消散电池的余热,由于安全问题,最高温度范围不应超过360°C。应用和市场相关性Na-S - HT电池已经商业化几十年了。虽然大多数Na-S HT电池已在日本和美国投入使用,但该技术在欧洲的讨论和使用越来越多。集装箱系统具有快速响应时间和6-7小时或1/6℃的典型放电持续时间,可扩展到数十或数百兆瓦时,因此预定用于大型电池存储项目和电网规模服务。阿联酋部署了世界上最大的电池存储系统之一,总容量为648兆瓦时。随着200多个Na-S高温电池项目的投产,全球已部署的储能容量已经>4.2 GWh。成本、资源、生产和供应链Na-S - HT系统已经建立了生产流程。钠和硫是丰富的原材料,电池集成到模组或存储系统是完全自动化的。以陶瓷固体电解质的形式生产陶瓷元件已经得到了很好的研究和发展。Na-S HT电池的系统级成本约为300-450欧元/千瓦时。因此,大批量和低成本的生产可能有利于进一步部署,因为生产和供应没有主要障碍。Na-S - HT电池的回收被认为相对容易。2.6 金属空气电池虽然初级金属空气(Me-air)电池已经被广泛使用(例如,锌空气电池通常用于助听器),次级Me-air电池是当前研究努力的主题。在Me-air电池中,能量来自金属和O2之间的化学反应,与其他类型的电池不同,O2不是作为活性材料保存在电池内。这意味着电池容量由阳极容量决定,允许理论上高的放电容量。氧气要么从周围空气中捕获(开放式系统),要么通过连接的氧气罐输入(封闭式系统)。然而,这两种系统都面临着特定的挑战。虽然从周围空气中捕获氧气意味着必须压缩空气并清除其他成分,如二氧化碳(碱性电解质中的碳酸盐形成),以防止对电池寿命和其他特性产生负面影响,但连接的O2罐需要足够的空间和额外的聚集体。含水Me-air电池中的水管理也相当复杂,特别是在环境空气湿度波动较大的情况下。2.6.1 锂空气电池技术锂-空气电池由于其较高的理论能量密度而被认为是有前途的。虽然这项技术在过去几十年中得到了越来越多的研究和实质性的改进,但仍然需要基础研究(TRL 2-3),并且只开发了少数样品。大多数研发工作都花在非水(有机)系统上,因为它们的理论能量密度高,电池设计相对简单。比能根据形成的LiO2而变化,假设电压为~ 3V, Li2O2的比能为~ 3500 Wh/kg。在样品中,相对较高的能量密度目前只能在低循环下实现(例如,500 Wh/kg进行10次循环,反之亦然)。高活性的锂金属阳极持续形成枝晶,导致安全问题。虽然与非水电池相比,水电池和固体锂空气电池的关键问题更少,但它们的比能量也更低(约2170 Wh/kg),这使得它们不那么有吸引力。应用和市场相关性电化学可充电锂-空气电池最有可能用于固定存储应用。这些应用的潜在市场份额估计在5%左右。进一步的应用可能是电动汽车,甚至无人机或高空伪卫星(HAPS)。然而,所有这些都伴随着进一步的挑战,因此,它们是争论的对象。预计在未来10-15年内不会有商业应用。成本、资源、生产和供应链由于材料节省和使用更便宜的材料(通常是用于GDE的碳改性而不是石墨),锂空气电池的电池成本预计将低于LIB电池。然而,它们仍然需要锂,这是最昂贵的组件之一。由于低TRL,锂-空气电池的成本估算非常不确定;潜在的电池组价格估计在70到200欧元/千瓦时之间。(未完待续)来源:小明来电

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