廣場 端 x 華爾街日報 端 x 華爾街日報

電池驅動的世界即將到來

經過十年來成本的快速下降,可充電鋰離子電池將徹底改變汽車行業,顛覆電網格局,挑戰石油和天然氣的主導地位。


2020年2月25日,德國茲維考的汽車製造廠,裝配線上的電動汽車。 攝:Krisztian Bocsi/Bloomberg via Getty Images
2020年2月25日,德國茲維考的汽車製造廠,裝配線上的電動汽車。 攝:Krisztian Bocsi/Bloomberg via Getty Images

本文原刊於《華爾街日報》,端傳媒獲授權轉載。目前,《華爾街日報》中文版全部內容僅向付費會員開放,我們強烈推薦您購買/升級成為「端傳媒尊享會員」,以低於原價 70% 的價格,暢讀端傳媒和《華爾街日報》全部內容。

1991年,可充電鋰離子電池首次商用於手持攝像機。不久後,又被用在筆記本電腦上。十年後,電池被用於為智能手機和可穿戴設備供電,推動了蘋果公司(Apple Inc., AAPL)等科技巨頭的崛起,之後又被應用到電動汽車領域。在這個過程中,電池的基本技術幾乎未變:液體中的鋰離子在陰極和陽極之間往復運動。

不過,這僅僅是個開始。經過十年來成本的快速下降,電池已經到了一個臨界點。電池將不再僅僅用於消費產品,還將改變世界用電方式。

在能源行業,企業利用價格實惠的電池可以儲存電力並獲取可再生能源電力。在汽車行業,電池將挑戰汽油發動機長達一個世紀的主導地位。由於成本下降的幅度之大、速度之快,大多數汽車製造商預計,目前比汽油車更貴的電動汽車,在未來五年內生產成本將齊平。

大好勢頭有望持續下去。電動汽車是目前電池需求的主要來源。隨著需求增長以及成本進一步下降,電池將給各個行業帶來更具顛覆性的影響。通用汽車公司(General Motors Co., GM)最近傳來電池方面的好消息。通用汽車說,希望到2035年該公司全球範圍內的汽車展廳逐步淘汰汽油車和柴油車。

電池熱潮可能會削弱對原油以及汽油等副產品的需求,同時也會侵蝕市場對主要用於發電廠的天然氣的需求。雖然開採原料和製造電池會產生一些溫室氣體排放,但分析人士認為,汽車和能源行業轉向電池將減少整體排放,從而促進應對氣候變化的努力。

美國僅發電廠的排放量就佔全國排放量的四分之一左右,轎車和貨車等輕型車輛的排放量佔全國排放量的17%。

充電電池的興起現在事關國家安全和產業政策。掌控生產鋰離子電池所需的礦物質和製造工藝被視為「21世紀版的石油安全」。

目前全球電池市場由亞洲國家和企業主導。全球近65%的鋰離子電池來自中國。相比之下,沒有一個國家的原油產量在全球佔比超過20%。

許多公司正在研究新的電池,比如不通過液體傳輸離子的固態電池,這可以大大提高電池的功率,進一步降低電池價格。這種突破的價值可能達到數十億美元、甚至數兆美元。

康涅狄格州電池初創企業 Cadenza Innovation Inc.的首席執行官 Christina Lampe-Onnerud 表示:「未來仍將有大量創新。」她的公司設想,有朝一日,建築物可以擁有自己的電池,以提供可在高峰時段使用的電力儲備,從而降低成本。

首款使用鋰離子電池的商用電動汽車是特斯拉(Tesla Inc., TSLA)在2008年推出的跑車 Roadster。特斯拉早期的優勢之一是,發現可以使用現成的筆記本電腦電池為汽車供電。該公司最初購買了亞洲生產的原本用於筆記本電腦的現成電池,當時筆記本電腦使用6到12塊電池。雙座的 Roadster 需要近7000塊電池。

總部設在倫敦的 Benchmark Mineral Intelligence 是一家追蹤電池價格和行業動態的機構,根據該機構提供的數據,目前全球超過三分之二的鋰離子電池用於汽車,預計在2030年之前,這一比例將達到四分之三。

同樣的電池也越來越多地部署在電網中。佛羅裡達州今年1月開工的一個電池項目將使用250萬塊鋰離子電池,其化學成分與特斯拉電池類似,只是體積更大。NextEra Energy Inc. 旗下的 Florida Power & Light 表示,該電池將能夠為迪士尼樂園供電七個小時。

經過多年的充放電後,廢舊汽車電池的性能通常會略有退化,但這類電池現在有了一個新用途:電力存儲。阿姆斯特丹的Johan Cruijff體育場有一個由148個日產(Nissan) Leaf電池組製成的三兆瓦「超級電池」,其中許多電池組是回收的,這個超級電池可以儲存屋頂太陽能板產生的電力,幫助平衡該體育場的能源使用。

據Benchmark提供的資訊,為了滿足預期中將出現的需求,全球鋰產量在過去10年間增加了近兩倍。鋰是一種銀色金屬,也用於製造核彈和治療躁鬱症。鋰的主要生產國是澳洲和智利(這兩國的地下滷水礦床中發現了鋰),不過美國內華達州和北卡羅來納州礦山的增產努力正受到投資者關注。

近年來,受汽車製造商的需求影響,鋰離子電池價格下跌速度超過預期。目前,電動汽車電池組和發動機的製造成本比使用化石燃料的中型轎車發動機高出約4000美元。據投資銀行瑞銀集團(UBS Group AG),到2022年這一差價將為1900美元,到2025年左右這一差距將消失。

通用汽車電動汽車部門主管 Ken Morris 去年9月份表示,他預計五年內電動汽車和燃油汽車的製造成本將持平。大眾汽車(Volkswagen AG, VOW.XE)、特斯拉和通用汽車等汽車製造商正在進一步壓低電池價格,競相鎖定為數百萬輛電動汽車提供動力所需的巨大產能。電動交通工具的興起也吸引了一些最大的科技公司,包括蘋果公司和亞馬遜公司(Amazon.com Inc., AMZN)。

德意志銀行(Deutsche Bank)的數據顯示,從全球範圍來看,在美國、歐洲和中國這幾個全球最大市場,電池驅動型電動汽車銷量佔去年所有新車銷量的大約4%,這一比例高於2017年的1%左右。該行預計,到2025年,這一市場份額將達到22%。

在能源領域,一個多世紀以來,電網一直圍繞適時發電構建。每時每刻,供電都需要與需求相匹配以避免停電,因為沒有辦法儲存能量以備之後使用。

為了解決這個問題,近幾十年來,在最炎熱和最寒冷的日子裡,供電需求由待命備用的尖峰燃氣電廠來滿足,當需要時,這些電廠會在特定的幾個小時內運轉。

在美國的部分地區,大型鋰離子電池裝置已經開始取代尖峰電廠。這些電池往往在白天儲存電力——通常從太陽能發電場獲取能源,不過也可以進行設置,從電網獲取低成本的電力。日落後,當電力需求和價格在晚間出現上升的時候,它們會根據需要釋放幾個小時的電力。

開發商和公用事業公司正在研究該行業的另一種進化步驟:建造電池,以收集和輸送風能和太陽能發電場的低成本清潔電力,而不僅僅是在日落後的幾個小時。

這不僅威脅到了尖峰電廠,還威脅到了許多傳統發電廠,為這些發電廠提供資金的基礎假設是:它們能夠在幾十年內全天候有競爭力地出售電力。

總部位於伊利諾伊州的可再生能源發電公司 GlidePath Power Solutions LLC 的首席執行官 Chris McKissack 表示,電池「距離帶來翻天覆地的變化僅一線之遙」。他估計,在總共800家千兆瓦級燃氣和燃煤發電廠中,有超過100家發電廠的可能很快會變得不經濟和沒有必要。他表示:「這為電池儲電提供了巨大的機會。」

在電力市場競爭激烈的得克薩斯州,經濟力量正在推動電池在電網中蓬勃發展。截至2020年底,已安裝電池的供電能力達215兆瓦。電網運營商預計,到2023年底,電池的供電能力將接近2000兆瓦,約佔該州這個時間主要電網平均用電量的4%或5%。

加州和紐約州已出台了命令,要求公用事業公司必須安裝更多電池,以提高電網可靠性和平抑價格波動,以及引入更多的可再生能源。

去年,為近70萬客戶提供電力的兩家加州公司 Silicon Valley Clean Energy 和 Central Coast Community Energy擴大了一項現有交易,購買了貝克斯菲爾德北部一個大型太陽能和電池存儲項目的發電量。這兩家公司表示,這些電池將使它們能夠無需大幅提價就可提供可再生能源。

Silicon Valley Clean Energy 的首席執行官 Girish Balachandran 說:「我正以一種完全不同的方式思考電網。」他預計,隨著更多的風能和太陽能電力被儲存在電池裡,該公司加州業務組合當中的天然氣業務佔比將會縮小。

他說,隨著價格繼續下降,他正在構想新的可確保電網可靠運行的電池部署方法。

2010年1月時,波士頓諮詢公司(Boston Consulting Group)曾估計電池成本約為每千瓦時1000美元-1200美元。自那以來,電池價格已經下降了一大截。該諮詢公司曾表示,要降到250美元,即車企想要達到的目標水平,是不太可能完成的任務,除非電池化學技術出現重大突破。

現如今,電池價格約為每千瓦時125美元,因為產能大幅擴張之下成本降低,化學技術的提升和設計的調整讓成本進一步得到壓縮。

卡內基梅隆大學(Carnegie Mellon University)機械工程副教授 Venkat Viswanathan 表示,人們普遍預計電池成本將進一步下降。他預測,電池價格在兩三年後最低將達到每千瓦時80美元,並在這個價位觸底。

曾為特斯拉跑車Roadster做電池系統架構師、現為 Sila Nanotechnologies Inc. 創始人兼首席執行官的 Gene Berdichevsky 表示,如果能把蓄電成本降至每千瓦時50美元,這項技術值5000億美元。他說:「將會有大量的科技創新應用於此。」 Sila Nanotechnologies 是一家總部位於加州阿拉梅達、致力於改進電池技術的公司。

去年美國多個機構成立了一個聯盟,以促進國內電池產業的發展,他們認為電池產業將在消費電子和國防中起到重要作用。該聯盟還利用《國防生產法》(Defense Production Act)來加快稀土礦的開發。

上個月,在美國參議院對能源部長人選格蘭霍姆(Jennifer Granholm)的提名確認聽證會上,格蘭霍姆表示對國內生產感興趣。她說:「我們可以從亞洲購買電動汽車電池,也可以在美國生產。」

歐盟正在利用產業政策促進區域性電池產業的發展。德國聯邦經濟事務和能源部長阿爾特邁爾(Peter Altmaier)不久前表示,歐盟希望從原材料加工到廢舊電池回收,在歐洲打造一個封閉的電池價值鏈。

日益增長的電池需求可能會對重要礦物的供應造成壓力。而為所有這些汽車電池供電會增加對電力的需求,導致供應緊張。

另一個挑戰是,雖然電池的安全性有所提高,但鋰離子電池也曾發生過起火事件,這已經導致包括通用汽車、現代汽車公司(Hyundai Motor Co.)和寶馬汽車(BMW AG)在內的多家公司召回產品。

充電站短缺可能會讓電動汽車客戶望而卻步。舊金山估計,到2030年,該市可能需要超過5,100個電動汽車充電裝置,而2019年僅有834個。據兩位市政府官員共同撰寫的一份分析報告,給這些電池加滿電可能需要該市多消耗7%的電力。

不過汽車專家們認為,電池驅動的車型最終會佔據上風。畢竟,這種車型在製造上比汽油車簡單得多,運動部件也更少。

汽車行業顧問 Sandy Munro 每年都要拆解20多輛汽車,將其拆成零件,研究材料、技術和組裝。他表示,一個多世紀以來,內燃機的設計已經近乎完美。相比之下,電池驅動電動車的創新才剛剛開始。

「現在,我們基本上只觸及了皮毛。」他還說:「內燃機的時代即將結束。」

英文原文:The Battery Is Ready to Power the World

WSJ 端 x 華爾街日報