全球“碳中和”挑戰下的鋰離子電池制造風(fēng)險管理
4月22日，由瑞再企商主辦的網(wǎng)絡(luò )在線(xiàn)研討會(huì )《新能源風(fēng)險版圖下，鋰離子電池制造風(fēng)險管理研討會(huì )》順利上線(xiàn)，由瑞再企商大中華區財產(chǎn)險部負責人秦夢(mèng)伶女士和風(fēng)險工程部財產(chǎn)險資深風(fēng)險工程師沈小星先生向聽(tīng)眾介紹鋰離子電池行業(yè)的發(fā)展、未來(lái)潛力，生產(chǎn)制造過(guò)程中的風(fēng)險，以及如何進(jìn)行風(fēng)險管理的案例和相關(guān)保險解決方案。 能源轉型和經(jīng)濟活動(dòng)電氣化 在今年的全國“兩會(huì )”上，“碳達峰”、“碳中和”目標被首次寫(xiě)入《政府工作報告》，引起社會(huì )熱烈關(guān)注。業(yè)界人士認為，2021年不僅是綠色低碳經(jīng)濟全球競爭的元年，也是中國開(kāi)啟“碳中和”征程的元年。 中國目前是世界上最大的二氧化碳排放國，2019年二氧化碳排放量占全球29%，主要來(lái)自能源消費、工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、農牧業(yè)、供熱制冷等商業(yè)、生活諸多方面。要實(shí)現“碳達峰”、“碳中和”需要全社會(huì )自上而下的全面參與，其中有兩個(gè)重點(diǎn)——能源轉型和經(jīng)濟活動(dòng)電氣化。 圖表：碳排放總量對比 資料來(lái)源：Our World In Data，世界銀行，中金公司研究部 圖表：主要經(jīng)濟體碳排放來(lái)源（2018） 資料來(lái)源：IEA，中金公司研究部 新能源持續發(fā)力，穩步取代化石能源 我國目前能源結構以煤為主，未來(lái)必須逐步減少對化石能源的依賴(lài)，優(yōu)先發(fā)展非化石能源。中國國家統計局初步核算數據顯示，2020年我國能源消費總量中非化石能源為15.9%，而未來(lái)10年的目標是，到2030年，我國非化石能源的一次能源消費比重達到25%左右，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機容量達到12億千瓦以上。 雖然以光伏、風(fēng)能為代表的新能源比例不斷上升，但由于發(fā)電能力大多和天氣情況直接掛鉤，根據不同季節、氣象條件有很大的間歇性，因此給電力消納能力，電網(wǎng)靈活性調度，以及配套蓄能、儲能帶來(lái)很大挑戰。 經(jīng)濟活動(dòng)電氣化——新能源汽車(chē)首當其沖 而在經(jīng)濟活動(dòng)電氣化方面，新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)近年來(lái)受到大力扶持，被提升至“十三五”政府產(chǎn)業(yè)支持發(fā)展重點(diǎn)，銷(xiāo)量快速增長(cháng)。截至2020年底，我國新能源汽車(chē)保有量492萬(wàn)輛，占世界四成以上。 我國《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃（2021—2035年）》提出，到2025年，中國新能源汽車(chē)新車(chē)銷(xiāo)量在當年汽車(chē)銷(xiāo)售總量中的占比要提升到20%。賽迪研究院預測，2030年，中國新能源汽車(chē)保有量將會(huì )突破8000萬(wàn)輛。 鋰離子電池作為目前主流的新能源汽車(chē)動(dòng)力來(lái)源，直接影響新能源汽車(chē)成本，占整車(chē)成本高達40％左右。隨著(zhù)市場(chǎng)對新能源汽車(chē)的需求不斷攀升，對鋰離子電池的需求也水漲船高，不斷推動(dòng)材料、技術(shù)創(chuàng )新，以及成本降低。 鋰離子電池助力“碳中和”目標實(shí)現 發(fā)展儲能是光伏、風(fēng)電逐步成為國家主要能源的必經(jīng)之路，同時(shí)也是以新能源汽車(chē)為代表的經(jīng)濟活動(dòng)全面電氣化轉型的重中之重。要實(shí)現2060年“碳中和”目標，鋰離子電池行業(yè)作為儲能領(lǐng)域的主要分支，必然肩負重任。 圖表：2019年全球鋰電子電池產(chǎn)品結構 數據來(lái)源：賽迪智庫，2020.4 隨著(zhù)電子產(chǎn)品、新能源汽車(chē)、電力儲能需求的日益擴大，對鋰離子電池的需求也不斷增長(cháng)。據賽迪智庫數據顯示，2019年全球鋰離子電池產(chǎn)業(yè)規模達到450億美元，同比增長(cháng)9%；按容量計算，2019年全球鋰離子電池市場(chǎng)規模達到225吉瓦時(shí)，同比增長(cháng)近15%。 圖表：2015-2019年全球鋰電子電池產(chǎn)業(yè)規模 數據來(lái)源：賽迪智庫，2020.4 據彭博新能源財經(jīng)BNEF報道 2020年，中國占據全球鋰離子電池供應鏈主要份額，國內電池需求高達72吉瓦時(shí)，掌控全球80%鋰電子電池原材料冶煉，77%電芯容量，以及60%組件制造能力。 此外，鋰離子電池產(chǎn)品的價(jià)格也正在穩步下降，使得廠(chǎng)商可以以更為經(jīng)濟的成本，實(shí)現更大規模的應用。據彭博新能源財經(jīng)BNEF數據顯示，2010年，鋰離子電池組的價(jià)格還高達1100美元/千瓦時(shí)以上，而2020年底已經(jīng)降至137美元/千瓦時(shí)，10年間降幅達89%。預測到2023年，價(jià)格將進(jìn)一步降至接近100美元/千瓦時(shí)。 聚焦亞洲鋰離子電池產(chǎn)業(yè) 亞洲是鋰離子電池的主要生產(chǎn)基地，特別是電芯的生產(chǎn)。生產(chǎn)企業(yè)主要集中在中、日、韓三國，包括LG化學(xué)、松下、三星SDI、寧德時(shí)代、比亞迪等知名廠(chǎng)商，尤其在動(dòng)力電池領(lǐng)域，寧德時(shí)代名列世界第一。近年來(lái)歐美也陸續加大對鋰離子電池方面的投入，從之前用進(jìn)口電芯進(jìn)行電池系統集成的商業(yè)模式轉向電芯的生產(chǎn)，以滿(mǎn)足日益增長(cháng)的市場(chǎng)需求并防止供應鏈中斷風(fēng)險。 能源調研機構伍德麥肯茲（Wood Mackenzie）預測，與2019年相比，全球鋰離子電池制造能力可能在2030年增長(cháng)四倍，達到13億千瓦時(shí)。亞太地區的制造能力目前占全球生產(chǎn)能力的80％。未來(lái)10年，該地區仍將是鋰離子電池生產(chǎn)的領(lǐng)導者。預計中國鋰離子電池容量將從2020年的3.45億千瓦時(shí)翻一番，到2030年達到8億千瓦時(shí)以上。盡管歐洲目前僅占全球產(chǎn)能的7％，但將在未來(lái)幾年內大幅提升產(chǎn)能，計劃于2030年達到全球產(chǎn)能的25％。 鋰離子電池是一把雙刃劍？ 和傳統的鉛酸電池和鎳鎘電池相比，鋰離子電池具有工作電壓高，能量密度大，循環(huán)壽命長(cháng)和無(wú)記憶效應等優(yōu)點(diǎn)。因此，鋰離子電池已經(jīng)變得無(wú)處不在，為我們的生活提供了極大的便利。 鋰離子電池是一種通過(guò)嵌入的鋰化合物作為一個(gè)電極材料，使用非水電解質(zhì)溶液的充電電池，主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動(dòng)來(lái)工作。鋰化合物不像金屬鋰那樣活潑，但其也是一種活性物質(zhì)，而現有的鋰離子電池所用的電解液也基本都是有機的易燃液體。另外，鋰離子電池所儲存的電能又能增加火災風(fēng)險。 近年來(lái)，鋰離子電池事故常常見(jiàn)諸報端，造成了財產(chǎn)損失、營(yíng)運中斷和人員傷亡。保險業(yè)也遭受過(guò)一些重大損失。因此，鋰離子電池制造和應用的相關(guān)風(fēng)險也越來(lái)越受到重視。 電芯生產(chǎn)有哪些步驟？ 鋰離子電池的電芯主要由正極、負極、隔膜、電解液和外殼五金件等主要材料構成。鋰離子電池電芯的生產(chǎn)步驟大致包括配漿、涂布、輥壓、分切、烘干、卷繞/疊片、封裝焊接、注液、化成、檢驗和出貨等。 各個(gè)環(huán)節對工藝要求極高，比如配漿過(guò)程，對配比、步驟、時(shí)長(cháng)都要精準把控，并且不能帶入污染物或微量金屬顆粒。此外化成階段的風(fēng)險也非常高，激活鋰離子電池需要不斷對其進(jìn)行充放電操作，之后還需要進(jìn)行排氣、注液口焊接等程序。各項操作過(guò)程中容易產(chǎn)生易燃易爆產(chǎn)物。有缺陷的產(chǎn)品也會(huì )發(fā)生熱失控，引發(fā)火災、爆炸等危險事故。 此外，電芯的生產(chǎn)往往在受控制的區域進(jìn)行，如：潔凈室或干室，發(fā)生火災后即使過(guò)火面積不大，但產(chǎn)生的煙也會(huì )對潔凈環(huán)境、機器設備和在制品造成煙損。 鋰電池的熱失控反應 鋰離子電池的熱失控反應模型不同于經(jīng)典火災三角形模型的火災爆炸事故。鋰離子電池內部的熱失控反應是一種化學(xué)熱反應，它可以在沒(méi)有氧氣的情況下在電芯內部發(fā)展。電芯發(fā)生熱失控反應之后，所放出來(lái)的熱，可以引燃附近連接著(zhù)的其他電芯發(fā)生連鎖熱失控反應。通常，熱失控可由內部缺陷、外部撞擊、機械損壞等引起。 電芯生產(chǎn)環(huán)境：干燥+潔凈！ 鋰離子電池電芯的生產(chǎn)需要在潔凈室、干室進(jìn)行。但凡有一點(diǎn)額外的水分、粉末或金屬碎渣殘留，后期都會(huì )造成電池缺陷報廢或引發(fā)安全事故，因此對環(huán)境的干燥度和潔凈度要求非常高。 在鋰離子電池系統裝配環(huán)節，主要風(fēng)險點(diǎn)在于電芯模組的充放電，以及后續火燒、振動(dòng)、沖撞、擠壓等模擬測試環(huán)節。 鋰離子電池制造，如何進(jìn)行風(fēng)險管控？ 近年來(lái)，國內外火災研究機構、實(shí)驗室和保險公司一直在探索如何控制鋰離子電池生產(chǎn)過(guò)程和倉儲中的風(fēng)險，并取得了很多階段性的研究成果。 我們從財產(chǎn)險風(fēng)險管控的基本方針出發(fā)結合國內外的一些研究成果，來(lái)嘗試回答下：鋰離子電池制造，如何進(jìn)行風(fēng)險管控？ 首先，用于鋰離子電池的生產(chǎn)廠(chǎng)房應為不可燃建筑，最好是具有較高耐火等級的建筑，比如鋼筋混凝土結構。廠(chǎng)房?jì)炔康姆阑鸱指舨坏獫M(mǎn)足生產(chǎn)的連續性，更要減小火災蔓延的風(fēng)險。無(wú)論是建筑還是內部的分隔，特別是潔凈區域的構成，嚴禁使用可燃建筑材料。 其次，電芯的生產(chǎn)布局要合理。潔凈室上面不應有其他的生產(chǎn)活動(dòng)。廠(chǎng)房屋頂盡量不安裝太陽(yáng)能光伏電池板。潔凈室內部應該盡量減低火災負荷，減少普通塑料的使用量。生產(chǎn)區域盡量減少可燃、易燃液體的存放量。正負極的生產(chǎn)在物理和流程上要嚴格分離開(kāi)。為了降低成品的火災風(fēng)險，應將鋰離子電池的電量狀態(tài)（SOC）控制在50% 以下。 在保護措施方面，目前主流的消防法規和標準都沒(méi)有提供成熟的針對鋰離子電池火災的消防方案。生產(chǎn)區域的消防保護可以暫時(shí)參考一些關(guān)于潔凈室的消防設計，對于火災風(fēng)險較大的生產(chǎn)設備提供區域性消防措施，如烘干爐和注液機臺等。 鋰離子電池倉儲區域的消防設計，可以參考NFPA的一些聯(lián)合研究和實(shí)驗方案?；馂膫蓽y方面，可考慮極早期空氣分析系統，在倉儲區域可布置紅外熱成像系統對成品溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監測。 最后，良好的風(fēng)險管理程序和應急預案也必不可少。比如，進(jìn)行必要的鋰離子電池火災風(fēng)險及應急的培訓，實(shí)施嚴格的整理整頓措施，不合格品的處理程序，倉儲區域溫濕度控制和良好倉庫操作規范等。