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重建电动汽车供应链

2021年11月29日 07:08:01
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来源:帮宁工作室

汽车制造商的另一场战争

编译 | 杨玉科

编辑 | Jane

出品 | 帮宁工作室(gbngzs)

尽管向电动汽车转型意味着石油钻探的减少,但电动汽车仍严重依赖来自地球深处的宝贵资源。

为实现汽车制造商雄心勃勃的电气化目标,需要制造足够多的电池。更多的电池,意味着大量的锂、钴和其他金属,而现有供应链并不适用于这些金属元素。目前来看,找到并安全提取相关金属是摆在传统汽车业务面前前所未有的复杂任务,要想在电动汽车时代取得成功,掌握这项任务是关键。

美国总统拜登(Joe Biden)的目标是,到2030年,电动汽车占美国新车销量的50%。Edmunds数据显示,去年这一比例为1.9%。

汽车制造商们已经制定了目标——沃尔沃计划到2030年全部实现电动化;通用汽车希望到2035年实现轻型车零排放;大众汽车集团希望到2040年,几乎所有汽车都实现零排放。

一个世纪以来,汽车业务的重心一直是汽车制造。然而,目前规模的电动汽车电池缺乏成熟的供应链,这使得汽车制造商不得不更早地参与进来。他们正在合作打开锂等关键电池金属的开采途径,组成联盟确保金属采购合乎人道并承担相应责任,同时努力减少电动汽车生产过程的碳足迹,制定电池回收和再利用计划。

基准矿物情报机构(Benchmark Mineral Intelligence)战略咨询主管安迪·利兰(Andy Leyland)表示,汽车制造商距离彻底改造还有很长的路要走,但他们意识到转型对长期竞争至关重要。“他们花了很长时间才弄明白这一点,并不是他们意愿这么做,而是他们不得不这么做。”

正在到来的电动汽车时代,动力电池发展现状如何?其原材料从哪里来?它们是否可用?汽车制造商要兑现关于电动汽车的承诺,找到这些问题的正确答案,则是关键步骤。

▍锂,不必再穿越半个地球

在美国能源咨询公司Guidehouse Insights首席分析师山姆·阿布萨米德(Sam Abuelsamid)看来,贯穿供应链的合资企业以及战略投资,将帮助汽车制造商确保获得足够的电池材料,加深他们在电动汽车开发方面的专业知识。

“这些公司认为,既然未来10年里,我们要么完全使用电动汽车,要么大量推广电动汽车,因此,电池和电机自然应该成为核心竞争力,就类似于过去百年来的发动机和变速器一样。”阿布萨米德说。

汽车制造商们的观点是,不能把知识产权完全交付给供应商,他们自己需要付诸行动,持续改进正在使用的电池技术,使其在性能和成本方面都具有竞争优势。

随着新冠疫情以及芯片短缺对全球汽车生产造成严重影响,汽车制造商们进一步意识到,对供应链进行更多控制和关注的必要性。

“当供应链变得过于集中,无论是在少数公司,还是在少数地理区域,它们都会变得非常脆弱,并且没有弹性。”阿布萨米德说,“鉴于电动汽车的需求,以及所需电池数量越来越多,假如你每年生产数百万辆电动汽车,你肯定不想在世界各地来回运送材料或电池。”

这就是汽车制造商和电池制造商争相在汽车组装厂附近建造电池工厂的原因。如果可行,原材料提取、回收和加工也最好这么布局。目前现状是,绝大多数用于电池的锂在澳大利亚、南美和中国开采,但汽车制造商和电池制造商已经开始在美国建立锂开采基地。

斯伦贝谢新能源(Schlumberger New Energy)旗下内华达州锂开采试点项目运营经理理查德·莫里森(Richard Morrison)表示,随着汽车制造商和电池制造商继续在美国投资,该行业基本可以为电动汽车形成一个闭环供应链,甚至实现跨州合作。

“如果锂材料供应充足,我们相信一个阴极制造场地将建成。”莫里森说,创造一个封闭的供应链环,锂就不必穿越半个地球,而且沿途还会产生排放。“我们将实现真正可持续的产品和流程,从盐水到电池形成。”

随着电动汽车销量增长,投资开采电池金属可以避免关键材料短缺。

今年7月,通用汽车同意与受控热资源(Controlled Thermal Resources)进行数百万美元的战略投资和商业合作,从加州与墨西哥边境附近的有毒湖泊索尔顿海合作开发低成本锂。该项目预计将在2024年生产电池锂。

受控热资源首席执行官罗德·科尔韦尔(Rod Colwell)预测,届时全球的锂将供不应求。尽管锂元素可能是地球上储量最大的能源,仅就美国需求而言,该公司无法生产足够的电池锂,这是他们要努力适应和解决的问题之一。

建立一个锂开采基地可能需要十年时间。按照目前开采能力,需要两年时间才能生产电池锂。不过,受控热资源和其他公司正在进行一项试验,使用一种改进的直接提取过程,可在几天或几周内获得电池锂。

IBM工业部门全球总经理曼尼什·舒拉(Manish Chawla)相信,通过直接提取或其他创新途径,可以避免电池危机。随着电动汽车需求增加,该领域投资必然会大幅增加。

“锂在索尔顿海中存在那么长时间,为什么没人去动它?因为没有资本。需要资本驱动,去推动创新和资源的可持续开发。”舒拉说道。

▍固态电池大赌注

每一辆汽油或柴油汽车的电池看起来几乎都一样:一个装有两根银柱的黑匣子。当然,也许内部结构可能会有些许差别,但一个世纪以来,汽车电池基本上没有太大变化。

但随着电动汽车时代到来,事情将大不相同。目前,数十亿美元投资被用于提高电池的安全性、耐久性、供电能力和充电时间。

简言之,电池角色发生了转变。它正在从一个廉价的常规磨损件,变成汽车最重要部分之一。决定电动汽车能跑多远,能跑多快的部件是电池,影响新车价格以及二手车价值的也是电池。

与当下电池不同,电动汽车的电池可以有不同形状、不同尺寸,化学成分也有所不同,这取决于电池制造商、汽车品牌以及车型定位。

例如,一辆跑车的电池组可能侧重快速提供大量动力。而一辆轿车可能更倾向于设计一个能量密集型电池组,支撑远程驾驶。

英国电池初创公司Britishvolt电池和工艺开发主管理查德·莱凯恩(Richard LeCain)说:“回顾事物发展历史和演变过程就会发现,我们一直在逐步提升。电池领域的推进,不会类似于从地面把人送上月球那样的登月计划。化学领域将有相当大的进展和改进空间,持续推动电池效率并降低成本,这是唯一路径。”

丰田汽车和大众汽车集团这两家汽车制造商正在寻求改进现有锂离子电池方式,确保这项技术的性能和成本与其适用车型相匹配。

汽车制造商们在固态电池上下了很大赌注。固态电池是一种用固体结构取代液体电解质的电池,可以使离子在阳极和阴极之间更快地移动。这样的改变有助于提高能量密度,减少充电时间,降低过热的风险。

如果化学家能解决几个主要问题,固态电池就可能是下一个重大开发成果。比如,电池常会形成锂枝晶——不仅降低效率,还缩短电池寿命。

“不同的化学物质会承担不同的角色,”大众美国负责电动汽车和创新的副总裁马特·雷纳(Matt Renna)说。“我们的产品线包括磷酸铁锂电池和镍锰钴电池。并不是说它们都是替代技术,同样道理,就像四缸发动机没有超越八缸发动机一样,两者可以共存,以满足不同客户和需求。同样,在电池化学成分和电池类型方面也如此。”

来自大学、初创公司和其他机构的研究人员正在测试新的化学物质,以生产成本更低且更先进的电池。比如上周,加州大学圣地亚哥分校就展示了固态锂离子电池的进展,该电池使用硅阳极代替目前锂离子电池普遍使用的石墨阳极。

根据该大学的说法,硅阳极的能量密度比石墨阳极高10倍,而且较低温度下电池也可以更快充电。配置在汽车上的电池,都必须能在汽车常遇的极端温度条件下保持长寿命、安全和可靠性。而且,它们必须能够承受来自道路的持续振动,并在严重碰撞中保障安全。

丰田汽车一直在固态电池领域努力,希望2025年前能大规模生产。在日本,该公司正在汽车上测试这种电池。同时,丰田汽车还在努力改进陈旧的电池技术,比如镍氢电池——20年前首次搭载在普锐斯混合动力车上的一种化学物质。

在日本市场,Aqua掀背混合动力车使用了丰田汽车最新一代双极镍电池。“与上一代电池相比,新电池输出密度增加一倍,给汽车带来强大加速感。”今年9月,丰田汽车首席技术官Masahiko Maeda在电池和碳中和简报会上对投资者说。

Britishvolt莱凯恩认为,电动汽车的电池改进,就像一个多世纪以来内燃机改进一样,是一个渐进过程。他相信,在制造更好的锂离子电池路上,还有很多方面需要改进。该公司正在研究减少电池包重量和尺寸的技术。

“我们正在尝试挪走部分部件,把电池融入底盘,利用拥有硬外壳的方形电池来承担车辆的部分重量和结构。”莱凯恩说。

Britishvolt为汽车行业生产的第一批电池是锂离子电池,但该公司也在投资固态电池。与其他电池公司不同,Britishvolt领导团队里包括两名汽车行业资深人士——福特欧洲前产品开发副总裁Joe Bakaj和英国福特前董事长Graham Hoare——这两人都拥有动力系统背景。

未来9年,尽管全球汽车制造商和电池公司准备投入数十亿美元用于电池研发,但目前还不清楚,一块电池能否储存与一加仑汽油一样多的能量,或者使用起来更方便。

例如,一辆雪佛兰Silverado皮卡油箱容量为24加仑,在大多数加油站加满油只需约3分钟。在高速公路上行驶时,每加仑汽油可以行驶21英里,需要补充更多燃料前,它可以行驶504英里。Silverado加满的油箱重达146.4磅。

电动汽车要想行驶300英里以上,电池组体积必须非常大。长续航里程的特斯拉Model 3包含4410块小电池,重量超过1200磅,EPA预测里程为358英里。即使是续航里程为259英里的紧凑型雪佛兰Bolt,其电池组也重约960磅。

还有充电时间问题。约有80%电动汽车司机在家里充电,通常不会超过汽车的续航里程,因此,等待充电不是问题。但对于那些需要使用公共充电桩的人来说,等待时间有时很长,一旦插上充电器,为获得合适里程,需要等待15分钟到一个小时不等。

“内燃机汽车在1950年可行吗?绝对可行,当时有人每天开车上下班。那么,今天的内燃机汽车比1950年更好吗?答案也是肯定的。”大众美国雷纳说,“我们已经投入数十亿研发资金,工程师们每天都在努力让它们变得更好。通过类比,我认为电动汽车在今天是可行的,而固态电池则拥有使电动汽车在未来更可行的潜力。”

▍隔膜的挑战

目前,锂离子电池使用的电解质,要么是液体,要么是糊状。这使得电池效率较低,因为锂离子不能像在固体材料中那样自由移动。汽车制造商和电池公司正花费数十亿美元,用固态电解质代替液体电解液和隔膜。

我们的目标是,制造一种更轻、更安全、更冷却、能量密度更高的电池。

一个电动汽车电池包包含数千个小电池。这些小电池看起来像普通手电筒电池,连接在一起。

一个锂离子电池有四个部分。

一是正极,也叫阴极,决定电池的容量和电压。

二是负极,也叫阳极,储存和释放锂离子到阴极,让电流流过一个外部电路。

三是电解质,使锂离子在阳极和阴极之间移动。

四是隔膜,把阳极和阴极分开的物理屏障。

液态锂离子电池如何工作?

放电:锂离子从阳极流过电解质进入阴极,并穿过隔膜。

充电:锂离子离开阴极,通过液体电解质进入阳极。

缺点:充电时间慢,热量高,能量密度受限。

固态锂离子电池:用陶瓷、聚合物或硫化物材料制成的固体电解质代替液体电解质。

其优势包括:充电更快、降低火灾风险、增加能量密度、更长寿命、降低制造成本。

来自丰田汽车、通用汽车、大众汽车集团和其他汽车制造商,以及大多数主要电池供应商的电池工程师和化学家,都在致力于开发一种坚固到足以在汽车上使用的隔膜。

挑战有三:其一,陶瓷隔膜会破裂。其二,固态电池也可以形成锂枝晶,有可能导致电池短路。其三,为固态电池开发大容量制造系统。

由于固态电池能量密度更高,汽车制造商可以在不牺牲续航里程或性能的情况下使用更少的电池,因此,它们有潜力极大地减轻车辆重量。而且,由于其耐低温,不易着火,相应的电池冷却系统可以变得不那么复杂。

▍金属材料本地化

美国汽车制造商决心在未来几十年加速电动汽车生产,同时大幅扩大本土电池生产。不到两年时间,他们已经宣布多个计划,预计到2026年在北美建立至少10家电池厂。

现今,用于电动汽车电池的金属大部分来自世界其他地区。随着电池生产在北美继续扩大,关键金属的采购和加工也将扩大。为开采金属材料,汽车制造商和电池制造商开始在北美建立工厂。专家表示,工厂本地化对减少电动汽车制造的碳足迹和避免地缘政治风险至关重要。

“附近肯定有资源。”IBM舒拉说,“疫情改变了所有人的心态,即不要单纯追求最便宜的原材料或零部件来源。需要综合考虑供应链的弹性和距离,这将驱动更多资本投入。”

在锂提取方面,受控热资源和NeoLith Energy实验工厂正在加州和内华达州启动项目。现阶段,绝大多数用于电池的锂来自南美、澳大利亚和中国,几乎所有加工都在中国完成。

基准矿物情报利兰表示,开采、加工和装配必须协力进行,而目前这项任务需要全球协调。“你必须保证所有这些工序同时在世界各地发生,这会产生很多烦恼。”

Guidehouse Insights阿布萨米德认为,这样做会导致大量的碳足迹,违背了电动汽车消除碳足迹的初衷。他说:“你要开采这些材料,让它们穿过半个地球去加工,然后再把它们运送半个世界去制造电池——只是运送这些材料就会增加大量成本和碳足迹。”

截至今年年初,美国电池年生产能力约为40GWH。根据Guidehouse Insights提供数据,特斯拉内华达工厂年产能为35GWH,LG能源解决方案在密歇根州工厂拥有5GWH年产能。到2026年,全美电池年产能可能至少增长7倍。

今年9月,福特汽车宣布将在肯塔基州建设两座电池厂和田纳西州建设一座电池厂的计划,这两座电池厂的年生产能力总计为129GWH。田纳西州工厂和肯塔基州其中一家工厂计划在2025年投产,一年后肯塔基州第二家工厂也将投产。

2019年年末,通用汽车和LG能源解决方案成立Ultium Cells合资企业。Ultium Cells在俄亥俄州和田纳西州的电池厂总产能将达到70GWH。通用汽车计划在美国新增其他两家电池厂,其中,俄亥俄州工厂明年投产,田纳西州工厂2023年投产。

Stellantis集团从2025年开始,将与三星SDI在北美地区共同生产电池。其与LG能源解决方案合作的另一家北美工厂预计2024年开业。Stellantis集团的目标是,每个工厂初始年产能达到23GWH,未来年产能达到40GWH。

丰田北美公司也计划在美国生产电池,但该公司没有透露将于2025年开放的园区产能。

利兰认为,几年后,美国将拥有足够电池制造能力。“不过,短缺可能会蔓延到供应链上游,并开始影响到原材料。建一个矿山比建一个电池工厂或化学转化场地要花更多时间。”他补充道。

专家告诉Automotive News,准备一个锂开采场地可能需要10年时间。利兰表示,电动汽车需求的不确定性使这种长期计划变得复杂化。“我们现在必须尝试预测5到7年后电动汽车市场的潜力,如果回到5年前,我们可能不会想到今天会走这么远。”

▍通用汽车样本

矿业公司高管、非汽车类供应商、工程师、电池供应链以及采购专家们,都在通用汽车重塑电动汽车供应链的过程中,找到了自己的一席之地。

通用汽车全球采购和供应链副总裁希尔潘·阿明(Shilpan Amin)认为,其定义的未来价值链,与现有价值链完全不同。

通用汽车聘请外部专家连同内部跨职能团队,为电池开发计划提供信息,同时确保锂和钴等电池材料的来源可靠、经济。

阿明告诉Automotive News,没有某一位单独专家是通用汽车战略的灵丹妙药。通用汽车需要一系列观点来制定计划,一旦建立一个可以借鉴的智囊团,突然之间,所有碎片知识都开始聚合在一起。

汽车行业的电气化趋势——包括通用汽车承诺到2025年前,投入350亿美元,用于电动汽车和自动驾驶汽车研发——强调了电池材料采购过程的高效和道义。

目前,通用汽车及其同行依赖于一个长期存在的供应链,其中,一级到四级供应商相互协调,满足汽车制造商的需求。电池的未来前景是一幅全新图画,图上没有熟悉的供应商路径。阿明认为,创新和重塑的时机已经成熟。

一个多世纪以来,内燃机汽车一直是通用汽车的核心业务,其销量、发布节点、客户基础,以及供应链方面都是确定的。阿明说,“对电动汽车而言,我们使用的是完全不同的原材料。我们正在改变这个行业,未来纯电动汽车的加速转型还有很多不定因素。”

几周后,通用汽车将推出GMC悍马电动汽车,这是第一款由专有Ultium电池提供动力的车型。到2025年,通用汽车计划推出30款基于Ultium电池驱动的电动汽车。该公司的目标是,十年后实现轻型汽车全电动化。

因此,采购用于Ultium电池的关键材料,包括锂、钴和镍,对通用汽车实现转型至关重要。

初期的预见性使通用汽车能够更好地应对需求和采购的变化,伴随分阶段进行投资。“这也是我们一直秉持掌控整个价值链的好处。”阿明说,“我们知道什么时候需要做决定,我们要求自己在正确时间做出决定。”

其实,在全球微芯片短缺和疫情搅乱整个汽车行业之前,通用汽车就已经在电池供应链中占据突出地位。不过,经过这些危机之后,更凸显了汽车制造商角色的重要性。

阿明回忆道,2019年年底,通用汽车宣布,通过与供应商LG能源的合资企业开发专有Ultium电池。通用汽车必须重新定义供应链,加快电动汽车生产。

“芯片短缺给了我们契机,用不同方式思考风险因素,并评估这些风险因素对业务影响有多快。”阿明说。

在得知芯片短缺情况后,通用汽车的高管们不得不迅速采取行动。他们迅速拨打电话,立即讨论问题,提出解决方案,如此效率,使这家企业有信心在没有经验的领域重新制定战略。

半导体的等待时间比许多其他汽车零部件长。准时交货不可行,寻找电池材料要更有远见,比如建一个锂开采场地可能需要7到10年时间。

现阶段,通用汽车开发电池时,不仅要考虑产能,还要考虑可持续开采过程、物流和地缘政治风险——这些因素一般不是建立传统价值链时需要考虑的东西。通用汽车一直鼓励和支持现有供应链采用更可持续的实践,但在电池领域,从一开始就采用可持续的做法,以构建基础网络。

“电动汽车本身就是减少温室气体的一个重要贡献者,不过,背后还可以寻找很多其他机会。”阿明说,“我们关注的是整个价值链如何以最可持续方式实现?如何确保它符合社会规则、符合环境发展并保持监管?以及如何把控在正确的时间拥有正确的材料,并交付给我们的产品组合?”

锂是现有电池和固态电池的关键材料,汽车行业正在努力争取未来也使用锂。因此,如何获得锂,以可持续、经济方式开采锂变得至关重要。通用汽车及其合作伙伴正在重新思考开采方法。

目前,电动汽车电池中使用的锂都不在北美开采。大多数锂在世界其他地方开采,在中国加工,最终运往北美。

“这个价值链不适合我们。事实上,你必须了解地壳的什么地方存有锂,有多少量,制造汽车级锂的质量,以及它们存在于世界什么地方。”阿明说。

通用汽车与美国受控热资源合作,从加州索尔顿海开采锂。两家公司预计,2024年可生产电池级锂。

通用汽车还签署了其他合作协议,比如与GE Renewable Energy合作,改善稀土材料供应和电机磁性。与Wolfspeed公司达成协议,为Ultium Drive开发电力产品的碳化硅技术解决方案。与电池回收商Li-Cycle公司建立合资企业,回收电池制造过程中高达100%的材料废料。

通用汽车表示,未来还有更多合作伙伴。“当我们谈论Ultium时,我们正在重新定义整个战略。我相信,当这一战略顺利实施后,它将处于一个非常持久、安全、高效的价值链中。”阿明说。

(本文部分内容综合Automotive News报道,部分图片来自网络)

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