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電池行業“十三五”發展規劃(一)——化學電源市場及技術發展趨勢總體分析

     “十二五”以來,環境和氣候變化已經越來越成為全世界關注的焦點,各國政府都承擔了加快減排溫室氣體CO2的歷史責任,由此制定了加速能源結構的優化,特別是加快可再生能源的開發和利用以及新能源汽車的發展,從而推動了可再生能源發電與新能源汽車的產業化與市場化進程。其中,可再生能源中的太陽電池(光伏發電)屬物理電源的范疇,作為與太陽能/風能發電的儲能電池則包含了蓄電池,屬化學電源(電池);同時,在新能源汽車中的電動汽車使用蓄電池、超級電化學電容器和燃料電池作動力(稱為動力電池),也均屬化學電源范疇,在這一應用中,化學電源已經上升至新能源層面。此外,各類型化學與物理電源(電池)在通信、交通、工業、醫療、家用電器、乃至航天與軍事等裝備與裝置中都有越來越廣泛應用和起到重要、甚至關鍵作用。因此,無論在我國,乃至在世界各國,化學與物理電源行業領域的技術與產業發展始終處于快速和持續發展勢頭。特別是我國在“十二五”期間,化學與物理電源產業規模發展迅猛,多數產品產量已處于世界同類產業的前列,其中,太陽電池、鉛酸蓄電池和原電池產業規模更保持了世界之首地位。更值得提及的是,在“十二五”末期我國新能源汽車逐步走向市場,帶動了化學電源中動力型蓄電池產業發展以及燃料電池研制、演示評價等,其中特別是促進了動力型鋰離子電池產業和產業鏈的完善與快速發展。加之我國再生能源(風能與太陽能)的產業與市場逐步推廣,又帶動了一批儲能型電池技術與產業的逐步形成與發展(諸如儲能鋰離子電池、液流電池、新型超級(鉛碳)電池和超級電容器等)。

    分析表明,在未來世界再生能源與新能源強烈與持續發展勢頭以及我國政府將新材料、新能源、新能源汽車作為戰略性產業的推動下,“十三五”我國化學與物理電源將面臨更大的發展機遇,同時該領域的強烈國際競爭(技術與價格競爭),我國化學與物理電源產業也會面臨更加嚴峻的挑戰。不久前,我國政府發布了“中國制造2025”,提出從制造大國走向制造強國是今后五年中國制造業發展的必由之路。這也完全符合我國化學與物理電源產業的“大而不強的現狀”以及行業進一步發展的強烈愿望。因此,在這次“十三五”化學與物理電源行業發展規劃編制中,將以“中國制造2025”的基本要求為主線,提出2020年部分和2025年全面實現中國化學電源強國的目標。其中,特別提出將新能源汽車與再生能源儲能直接關聯的蓄電池產業(含整個產業鏈)作為重點,制定出“十三五”更為清晰的具體目標與可實施方案等,以確保我國化學與物理電源行業的健康、持續和快速發展,為我國“十三五”國民經濟、社會、國防現代化全面發展提供重要支撐。

    一、化學電源市場及技術發展趨勢總體分析:

    長期以來世界化學電源市場與技術方興未艾,一直處于持續發展、甚至快速發展態勢。

    1、蓄電池市場及技術發展趨勢總體分析:

    在化學電源產業中,蓄電池產業已經成為行業最大的支柱產業,2014年世界蓄電池產量超過了40萬MWh,銷售額達到600億美元。這正是傳統應用市場需求持續增加、新型蓄電池(鋰離子電池為代表)產業發展與新興應用市場不斷涌現,并快速增長的結果。特別是自2010年以來電動車電池入市和儲能電池步入規模演示以來,相關產業更被劃定為“新能源”產業,其技術與市場發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,當今依然保持了在傳統蓄電池市場(汽車起動、通信、交通、工業、UPS等)的首要地位,且顯示持續增長態勢。市場規模由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,在技術進步的基礎上,高性能EFB(富液)電池和AGM電池已經用于汽車起停系統,且這兩種電池目前都已經實現了大規模生產,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勢,體現了減排CO2的高性價比,產品頗受歡迎。至2020年,預期傳統燃油車會下降至44%,微混車大升至50%左右。統計數據表明,2010年“起?!避噧H有幾萬輛,但是2012年就已經上升至228萬輛左右,超過了2011年所作預測。

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

    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展,它已經成為小城市、特別是農村地區的代步甚至運輸工具,這是中國形成的獨有產業與市場。2011年我國電動自行車年產量已達到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展趨勢。此外,國內還開發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可或批準,但是諸如山東等省市接近農村地域,市場非?;钴S。2014年局部地區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,使用壽命約3年左右。今后幾年,這一應用市場依然呈現增長趨勢。

    鋰離子電池產業作為新興產業,雖目前處于蓄電池市場規模的第二位,但卻是市場發展速度最快的蓄電池產業,2004年至2014年的10年間,市場規模由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%占據小型移動電子產品(如手機、筆記本計算機、數碼產品、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。正是近幾年發展特別迅猛的智能手機與平板電子產品以及電動車(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業與市場的持續快速增長以及電池技術的持續進步。尤其是平板電子產品與智能手機迅猛發展不斷推動著鋁塑膜包裝鋰離子電池的應用和向更高容量化發展,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,它們都體現在各國政府重點創新研究計劃的內容與研究目標中。

    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;系統更進一步降至82Wh/kg與73Wh/L。在應用與技術發展基礎上,上述車載電池系統的比能量已經提升至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,是當今電動車上獲得應用的動力鋰離子電池中最高的。

    我國國家汽車產業振興計劃和《新能源產業發展規劃》促進了新能源汽車動力電池的發展。2012年國家推出的《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012-2020年)》,到2015年全國新能源汽車累計產銷量要達到50萬輛。到2020年,我國新能源汽車年產能要達到200萬輛,累計產銷量達到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業發展,實現汽車產業的轉型升級,政府在以往“十城千輛”新能源汽車示范工程基礎上加大了推廣力度,將試點城市及城市群擴展至39個。當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達到71102輛,預計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發展方向都是以提高比能量和降低成本為主要目標,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。

    堿性蓄電池產業中,金屬氫化物鎳電池在當今商品化混合動力汽車(HEV)保持應用和小幅增長,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用(市場呈年均降速2%的態勢)。按照規定,2017年1月1日起電動工具將嚴禁使用鎘鎳電池。

    日本公司致力于發展了新型電池關鍵材料選擇與優化配方,其中采用AB3.5儲氫合金組成與結構為負極的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);循環壽命由原1500次延長至6000次。

    2、原電池市場及技術發展趨勢總體分析:

    原電池產業是化學電源行業的傳統產業。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準化的、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市場,如作為家用電器遙控器、電子鐘表、家用醫療器具(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,它們已經進入了超市銷售,該市場顯示穩中有升,特別是隨著家用電器和個人用電器具增加而增長,故大多數發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、ESL電子貨架標簽、有源汽車通行卡、ETC卡座、可穿戴產品-智能魔術手環、銀行密鑰(動態口令牌)、血糖儀、汽車遙控器、電動車GPS定位系統、可視銀行卡等,這一市場依然處于持續擴大中。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)。鋅錳電池技術進步體現在高容量化與無汞化,鋰電池則體現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進展簡明分析

    直到2014年,燃料電池的產業與市場規模都還是很小的,與期待21世紀開創一個氫能經濟新時代距離甚遠。

    當今,燃料電池的市場應用發展主要集中于兩個領域,首要應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。

    德國把燃料電池發展按照成本、或催化劑用量等定義為一代、二代和三代,現在已經實現了第三代技術。日本政府以及各大汽車企業一直支持氫燃料電池技術開發,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”生產入市。鑒于高壓氫瓶的發展(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年預計達到5000個。

    燃料電池另一個應用領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,日本已經推出一種共發電發熱系統,它是由天然氣作燃料,經由重整轉化成氫源,提供給燃料電池發電與產熱(熱水),供家庭使用。2009年以來,累計供應量達到10萬套。其中技術水平進步表現在轉換效率和使用壽命,2009年轉換效率(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系統的價格也從原先的330萬日元降至160萬日元。由此,日本實現了該電池系統的小規模產業化生產,并將其推向初步市場應用。

    從實用化與商品化角度分析,燃料電池作為電動車驅動電源,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)、適應各種環境條件操作(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、運輸和高密度罐貯等問題。

    4、超級電容器市場與技術進展簡明分析

    利用電極/電解質交界面的雙電層來儲能的超級電容器(“電化學電容器”)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。國際上早已實現產業化,產品從法拉至數百法拉,主要用于計算機與各種小型用電設備的電源或備用電源(從0.1法拉至數法拉)。作為電動車或儲能系統應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(碳電極和反應電極組合)原理的超級電容器得到發展,比能量可以提高至40Wh/kg,甚至更高,但是比功率也隨之降低。超級電容器技術發展需求依然是在保持高功率特點基礎上,提升比能量,降低成本,以便擴展其在未來儲能系統與混合動力車輛中的應用。

    5、儲能電池(含鈉硫與液流電池)市場及相關技術發展趨勢分析

    作為新興產業,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的裝機總量從2008年的不足100MW發展到2014年6月的761.8MW(不包含抽水蓄能、壓縮空氣儲能及儲熱數據),年復合增長率達到193%。從地域分布上看,無論是項目數量還是裝機規模,美國與日本仍然是最主要的儲能示范應用國家,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%,儲能裝機規模為57.3MW。

    從全球技術分類上看,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,鋰離子電池的應用比例最高,超過70%。從全球應用分類上看,儲能技術較多地應用于風電場/光伏電站、輸配側和輔助服務市場。

    當前,發達國家已經走在儲能產業發展的前列,通過政府扶持、政策導向、資金投入等多種方式積極促進產業發展,意圖建立行業技術標準,搶占全球儲能技術和市場制高點。歐盟許多發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惠等政策,鼓勵投資和引進儲能技術、建設各類儲能項目,研究和開發前沿儲能技術,并在電力發電及輸配、離網孤島應用及智能微電網中積極推廣和利用儲能技術。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增長期。

    鈉硫固體電解質電池曾經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大量增加,儲能系統市場總量曾達到1500MWh,是2012年的3倍。但2011年底前發生了兩起鈉硫電池儲能系統著火事故,迫使日本NGK公司宣布停止生產,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中的應用受到重視。其中,美國、日本、中國、德國都有了該電池儲能系統的示范。而日本和中國是有了一定規?!叭\液流電池”產業化和相應生產能力的國家。

    6、電池關鍵材料及相關設備市場及技術發展趨勢分析

    事實上,新型鋰離子電池的快速發展離不開產業鏈的發展支持,同時產業鏈建設與擴展更離不開鋰離子電池市場的發展要求。2014年,世界鋰離子電池銷售額中,終端模塊與系統創造總價值為196億美元,而單體電池為136億美元,生產正極材料10.5萬噸、價值25億美元,負極材料5.7萬噸、8億美元,電解質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增長,2014年電池產業鏈各成分增長率都超過14%以上,其中電解質高達20%、隔膜達18%。

    “十二五”期間,我國鋰離子電池所需不少關鍵材料,尤其是電解質的關鍵材料LiPF6和PP或PP/PE復合隔膜等,都實現了國產化與本地化,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LiPF6具有明顯的市場價格優勢,售價約為50~120元/kg(或 $8~20/kg),而國外材料價格約$12~30/kg?!笆濉逼陂g,我國電池設備(包括材料制造設備)制造突飛猛進,許多大型鋰離子電池制造企業也在利用中國設備與進口關鍵設備,組成先進的自動化與高度可控的生產線(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的設計、制造與檢測,仿真、電子控制與熱管理等技術得到迅速發展,形成了我國自己的大型電池系統制造與配套體制。

    7、電池回收/再利用產業創立及關鍵技術發展趨勢分析

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

    鋰離子電池應用于電動車和儲能系統,致使總量增加巨大,回收與再利用受到各國的重視。但是實現產業化還需持續深入研究,找出既清潔、又經濟的回收與再利用技術方案,在進行規模示范基礎上,創建相關回收或再利用產業。


新聞動態
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