全球“碳中和”挑戰(zhàn)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)在線研討會《新能源風(fēng)險版圖下，鋰離子電池制造風(fēng)險管理研討會》順利上線，由瑞再企商大中華區(qū)財產(chǎn)險部負責(zé)人秦夢伶女士和風(fēng)險工程部財產(chǎn)險資深風(fēng)險工程師沈小星先生向聽眾介紹鋰離子電池行業(yè)的發(fā)展、未來潛力，生產(chǎn)制造過程中的風(fēng)險，以及如何進行風(fēng)險管理的案例和相關(guān)保險解決方案。 能源轉(zhuǎn)型和經(jīng)濟活動電氣化 在今年的全國“兩會”上，“碳達峰”、“碳中和”目標(biāo)被首次寫入《政府工作報告》，引起社會熱烈關(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%，主要來自能源消費、工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、農(nóng)牧業(yè)、供熱制冷等商業(yè)、生活諸多方面。要實現(xiàn)“碳達峰”、“碳中和”需要全社會自上而下的全面參與，其中有兩個重點——能源轉(zhuǎn)型和經(jīng)濟活動電氣化。 圖表：碳排放總量對比 資料來源：Our World In Data，世界銀行，中金公司研究部 圖表：主要經(jīng)濟體碳排放來源（2018） 資料來源：IEA，中金公司研究部 新能源持續(xù)發(fā)力，穩(wěn)步取代化石能源 我國目前能源結(jié)構(gòu)以煤為主，未來必須逐步減少對化石能源的依賴，優(yōu)先發(fā)展非化石能源。中國國家統(tǒng)計局初步核算數(shù)據(jù)顯示，2020年我國能源消費總量中非化石能源為15.9%，而未來10年的目標(biāo)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(jù)不同季節(jié)、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(diào)度，以及配套蓄能、儲能帶來很大挑戰(zhàn)。 經(jīng)濟活動電氣化——新能源汽車首當(dāng)其沖 而在經(jīng)濟活動電氣化方面，新能源汽車產(chǎn)業(yè)近年來受到大力扶持，被提升至“十三五”政府產(chǎn)業(yè)支持發(fā)展重點，銷量快速增長。截至2020年底，我國新能源汽車保有量492萬輛，占世界四成以上。 我國《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》提出，到2025年，中國新能源汽車新車銷量在當(dāng)年汽車銷售總量中的占比要提升到20%。賽迪研究院預(yù)測，2030年，中國新能源汽車保有量將會突破8000萬輛。 鋰離子電池作為目前主流的新能源汽車動力來源，直接影響新能源汽車成本，占整車成本高達40％左右。隨著市場對新能源汽車的需求不斷攀升，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(biāo)實現(xiàn) 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，同時也是以新能源汽車為代表的經(jīng)濟活動全面電氣化轉(zhuǎn)型的重中之重。要實現(xiàn)2060年“碳中和”目標(biāo)，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(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)來源：賽迪智庫，2020.4 隨著電子產(chǎn)品、新能源汽車、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。據(jù)賽迪智庫數(shù)據(jù)顯示，2019年全球鋰離子電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模達到450億美元，同比增長9%；按容量計算，2019年全球鋰離子電池市場規(guī)模達到225吉瓦時，同比增長近15%。 圖表：2015-2019年全球鋰電子電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模 數(shù)據(jù)來源：賽迪智庫，2020.4 據(jù)彭博新能源財經(jīng)BNEF報道 2020年，中國占據(jù)全球鋰離子電池供應(yīng)鏈主要份額，國內(nèi)電池需求高達72吉瓦時，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)品的價格也正在穩(wěn)步下降，使得廠商可以以更為經(jīng)濟的成本，實現(xiàn)更大規(guī)模的應(yīng)用。據(jù)彭博新能源財經(jīng)BNEF數(shù)據(jù)顯示，2010年，鋰離子電池組的價格還高達1100美元/千瓦時以上，而2020年底已經(jīng)降至137美元/千瓦時，10年間降幅達89%。預(yù)測到2023年，價格將進一步降至接近100美元/千瓦時。 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、寧德時代、比亞迪等知名廠商，尤其在動力電池領(lǐng)域，寧德時代名列世界第一。近年來歐美也陸續(xù)加大對鋰離子電池方面的投入，從之前用進口電芯進行電池系統(tǒng)集成的商業(yè)模式轉(zhuǎn)向電芯的生產(chǎn)，以滿足日益增長的市場需求并防止供應(yīng)鏈中斷風(fēng)險。 能源調(diào)研機構(gòu)伍德麥肯茲（Wood Mackenzie）預(yù)測，與2019年相比，全球鋰離子電池制造能力可能在2030年增長四倍，達到13億千瓦時。亞太地區(qū)的制造能力目前占全球生產(chǎn)能力的80％。未來10年，該地區(qū)仍將是鋰離子電池生產(chǎn)的領(lǐng)導(dǎo)者。預(yù)計中國鋰離子電池容量將從2020年的3.45億千瓦時翻一番，到2030年達到8億千瓦時以上。盡管歐洲目前僅占全球產(chǎn)能的7％，但將在未來幾年內(nèi)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(tǒng)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)壽命長和無記憶效應(yīng)等優(yōu)點。因此，鋰離子電池已經(jīng)變得無處不在，為我們的生活提供了極大的便利。 鋰離子電池是一種通過嵌入的鋰化合物作為一個電極材料，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來工作。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(xiàn)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(zāi)風(fēng)險。 近年來，鋰離子電池事故常常見諸報端，造成了財產(chǎn)損失、營運中斷和人員傷亡。保險業(yè)也遭受過一些重大損失。因此，鋰離子電池制造和應(yīng)用的相關(guān)風(fēng)險也越來越受到重視。 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(gòu)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。 各個環(huán)節(jié)對工藝要求極高，比如配漿過程，對配比、步驟、時長都要精準把控，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行充放電操作，之后還需要進行排氣、注液口焊接等程序。各項操作過程中容易產(chǎn)生易燃易爆產(chǎn)物。有缺陷的產(chǎn)品也會發(fā)生熱失控，引發(fā)火災(zāi)、爆炸等危險事故。 此外，電芯的生產(chǎn)往往在受控制的區(qū)域進行，如：潔凈室或干室，發(fā)生火災(zāi)后即使過火面積不大，但產(chǎn)生的煙也會對潔凈環(huán)境、機器設(shè)備和在制品造成煙損。 鋰電池的熱失控反應(yīng) 鋰離子電池的熱失控反應(yīng)模型不同于經(jīng)典火災(zāi)三角形模型的火災(zāi)爆炸事故。鋰離子電池內(nèi)部的熱失控反應(yīng)是一種化學(xué)熱反應(yīng)，它可以在沒有氧氣的情況下在電芯內(nèi)部發(fā)展。電芯發(fā)生熱失控反應(yīng)之后，所放出來的熱，可以引燃附近連接著的其他電芯發(fā)生連鎖熱失控反應(yīng)。通常，熱失控可由內(nèi)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、干室進行。但凡有一點額外的水分、粉末或金屬碎渣殘留，后期都會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(tǒng)裝配環(huán)節(jié)，主要風(fēng)險點在于電芯模組的充放電，以及后續(xù)火燒、振動、沖撞、擠壓等模擬測試環(huán)節(jié)。 鋰離子電池制造，如何進行風(fēng)險管控？ 近年來，國內(nèi)外火災(zāi)研究機構(gòu)、實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(jié)合國內(nèi)外的一些研究成果，來嘗試回答下：鋰離子電池制造，如何進行風(fēng)險管控？ 首先，用于鋰離子電池的生產(chǎn)廠房應(yīng)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(jié)構(gòu)。廠房內(nèi)部的防火分隔不但要滿足生產(chǎn)的連續(xù)性，更要減小火災(zāi)蔓延的風(fēng)險。無論是建筑還是內(nèi)部的分隔，特別是潔凈區(qū)域的構(gòu)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(yīng)有其他的生產(chǎn)活動。廠房屋頂盡量不安裝太陽能光伏電池板。潔凈室內(nèi)部應(yīng)該盡量減低火災(zāi)負荷，減少普通塑料的使用量。生產(chǎn)區(qū)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。為了降低成品的火災(zāi)風(fēng)險，應(yīng)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(guī)和標(biāo)準都沒有提供成熟的針對鋰離子電池火災(zāi)的消防方案。生產(chǎn)區(qū)域的消防保護可以暫時參考一些關(guān)于潔凈室的消防設(shè)計，對于火災(zāi)風(fēng)險較大的生產(chǎn)設(shè)備提供區(qū)域性消防措施，如烘干爐和注液機臺等。 鋰離子電池倉儲區(qū)域的消防設(shè)計，可以參考NFPA的一些聯(lián)合研究和實驗方案?；馂?zāi)偵測方面，可考慮極早期空氣分析系統(tǒng)，在倉儲區(qū)域可布置紅外熱成像系統(tǒng)對成品溫度進行實時監(jiān)測。 最后，良好的風(fēng)險管理程序和應(yīng)急預(yù)案也必不可少。比如，進行必要的鋰離子電池火災(zāi)風(fēng)險及應(yīng)急的培訓(xùn)，實施嚴格的整理整頓措施，不合格品的處理程序，倉儲區(qū)域溫濕度控制和良好倉庫操作規(guī)范等。