全球“碳中和”挑战下的锂离子电池制造风险管理
4月22日，由瑞再企商主办的网络在线研讨会《新能源风险版图下，锂离子电池制造风险管理研讨会》顺利上线，由瑞再企商大中华区财产险部负责人秦梦伶女士和风险工程部财产险资深风险工程师沈小星先生向听众介绍锂离子电池行业的发展、未来潜力，生产制造过程中的风险，以及如何进行风险管理的案例和相关保险解决方案。 能源转型和经济活动电气化 在今年的全国“两会”上，“碳达峰”、“碳中和”目标被首次写入《政府工作报告》，引起社会热烈关注。业界人士认为，2021年不仅是绿色低碳经济全球竞争的元年，也是中国开启“碳中和”征程的元年。 中国目前是世界上最大的二氧化碳排放国，2019年二氧化碳排放量占全球29%，主要来自能源消费、工业生产、交通运输、农牧业、供热制冷等商业、生活诸多方面。要实现“碳达峰”、“碳中和”需要全社会自上而下的全面参与，其中有两个重点——能源转型和经济活动电气化。 图表：碳排放总量对比 资料来源：Our World In Data，世界银行，中金公司研究部 图表：主要经济体碳排放来源（2018） 资料来源：IEA，中金公司研究部 新能源持续发力，稳步取代化石能源 我国目前能源结构以煤为主，未来必须逐步减少对化石能源的依赖，优先发展非化石能源。中国国家统计局初步核算数据显示，2020年我国能源消费总量中非化石能源为15.9%，而未来10年的目标是，到2030年，我国非化石能源的一次能源消费比重达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上。 虽然以光伏、风能为代表的新能源比例不断上升，但由于发电能力大多和天气情况直接挂钩，根据不同季节、气象条件有很大的间歇性，因此给电力消纳能力，电网灵活性调度，以及配套蓄能、储能带来很大挑战。 经济活动电气化——新能源汽车首当其冲 而在经济活动电气化方面，新能源汽车产业近年来受到大力扶持，被提升至“十三五”政府产业支持发展重点，销量快速增长。截至2020年底，我国新能源汽车保有量492万辆，占世界四成以上。 我国《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》提出，到2025年，中国新能源汽车新车销量在当年汽车销售总量中的占比要提升到20%。赛迪研究院预测，2030年，中国新能源汽车保有量将会突破8000万辆。 锂离子电池作为目前主流的新能源汽车动力来源，直接影响新能源汽车成本，占整车成本高达40％左右。随着市场对新能源汽车的需求不断攀升，对锂离子电池的需求也水涨船高，不断推动材料、技术创新，以及成本降低。 锂离子电池助力“碳中和”目标实现 发展储能是光伏、风电逐步成为国家主要能源的必经之路，同时也是以新能源汽车为代表的经济活动全面电气化转型的重中之重。要实现2060年“碳中和”目标，锂离子电池行业作为储能领域的主要分支，必然肩负重任。 图表：2019年全球锂电子电池产品结构 数据来源：赛迪智库，2020.4 随着电子产品、新能源汽车、电力储能需求的日益扩大，对锂离子电池的需求也不断增长。据赛迪智库数据显示，2019年全球锂离子电池产业规模达到450亿美元，同比增长9%；按容量计算，2019年全球锂离子电池市场规模达到225吉瓦时，同比增长近15%。 图表：2015-2019年全球锂电子电池产业规模 数据来源：赛迪智库，2020.4 据彭博新能源财经BNEF报道 2020年，中国占据全球锂离子电池供应链主要份额，国内电池需求高达72吉瓦时，掌控全球80%锂电子电池原材料冶炼，77%电芯容量，以及60%组件制造能力。 此外，锂离子电池产品的价格也正在稳步下降，使得厂商可以以更为经济的成本，实现更大规模的应用。据彭博新能源财经BNEF数据显示，2010年，锂离子电池组的价格还高达1100美元/千瓦时以上，而2020年底已经降至137美元/千瓦时，10年间降幅达89%。预测到2023年，价格将进一步降至接近100美元/千瓦时。 聚焦亚洲锂离子电池产业 亚洲是锂离子电池的主要生产基地，特别是电芯的生产。生产企业主要集中在中、日、韩三国，包括LG化学、松下、三星SDI、宁德时代、比亚迪等知名厂商，尤其在动力电池领域，宁德时代名列世界第一。近年来欧美也陆续加大对锂离子电池方面的投入，从之前用进口电芯进行电池系统集成的商业模式转向电芯的生产，以满足日益增长的市场需求并防止供应链中断风险。 能源调研机构伍德麦肯兹（Wood Mackenzie）预测，与2019年相比，全球锂离子电池制造能力可能在2030年增长四倍，达到13亿千瓦时。亚太地区的制造能力目前占全球生产能力的80％。未来10年，该地区仍将是锂离子电池生产的领导者。预计中国锂离子电池容量将从2020年的3.45亿千瓦时翻一番，到2030年达到8亿千瓦时以上。尽管欧洲目前仅占全球产能的7％，但将在未来几年内大幅提升产能，计划于2030年达到全球产能的25％。 锂离子电池是一把双刃剑？ 和传统的铅酸电池和镍镉电池相比，锂离子电池具有工作电压高，能量密度大，循环寿命长和无记忆效应等优点。因此，锂离子电池已经变得无处不在，为我们的生活提供了极大的便利。 锂离子电池是一种通过嵌入的锂化合物作为一个电极材料，使用非水电解质溶液的充电电池，主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。锂化合物不像金属锂那样活泼，但其也是一种活性物质，而现有的锂离子电池所用的电解液也基本都是有机的易燃液体。另外，锂离子电池所储存的电能又能增加火灾风险。 近年来，锂离子电池事故常常见诸报端，造成了财产损失、营运中断和人员伤亡。保险业也遭受过一些重大损失。因此，锂离子电池制造和应用的相关风险也越来越受到重视。 电芯生产有哪些步骤？ 锂离子电池的电芯主要由正极、负极、隔膜、电解液和外壳五金件等主要材料构成。锂离子电池电芯的生产步骤大致包括配浆、涂布、辊压、分切、烘干、卷绕/叠片、封装焊接、注液、化成、检验和出货等。 各个环节对工艺要求极高，比如配浆过程，对配比、步骤、时长都要精准把控，并且不能带入污染物或微量金属颗粒。此外化成阶段的风险也非常高，激活锂离子电池需要不断对其进行充放电操作，之后还需要进行排气、注液口焊接等程序。各项操作过程中容易产生易燃易爆产物。有缺陷的产品也会发生热失控，引发火灾、爆炸等危险事故。 此外，电芯的生产往往在受控制的区域进行，如：洁净室或干室，发生火灾后即使过火面积不大，但产生的烟也会对洁净环境、机器设备和在制品造成烟损。 锂电池的热失控反应 锂离子电池的热失控反应模型不同于经典火灾三角形模型的火灾爆炸事故。锂离子电池内部的热失控反应是一种化学热反应，它可以在没有氧气的情况下在电芯内部发展。电芯发生热失控反应之后，所放出来的热，可以引燃附近连接着的其他电芯发生连锁热失控反应。通常，热失控可由内部缺陷、外部撞击、机械损坏等引起。 电芯生产环境：干燥+洁净！ 锂离子电池电芯的生产需要在洁净室、干室进行。但凡有一点额外的水分、粉末或金属碎渣残留，后期都会造成电池缺陷报废或引发安全事故，因此对环境的干燥度和洁净度要求非常高。 在锂离子电池系统装配环节，主要风险点在于电芯模组的充放电，以及后续火烧、振动、冲撞、挤压等模拟测试环节。 锂离子电池制造，如何进行风险管控？ 近年来，国内外火灾研究机构、实验室和保险公司一直在探索如何控制锂离子电池生产过程和仓储中的风险，并取得了很多阶段性的研究成果。 我们从财产险风险管控的基本方针出发结合国内外的一些研究成果，来尝试回答下：锂离子电池制造，如何进行风险管控？ 首先，用于锂离子电池的生产厂房应为不可燃建筑，最好是具有较高耐火等级的建筑，比如钢筋混凝土结构。厂房内部的防火分隔不但要满足生产的连续性，更要减小火灾蔓延的风险。无论是建筑还是内部的分隔，特别是洁净区域的构成，严禁使用可燃建筑材料。 其次，电芯的生产布局要合理。洁净室上面不应有其他的生产活动。厂房屋顶尽量不安装太阳能光伏电池板。洁净室内部应该尽量减低火灾负荷，减少普通塑料的使用量。生产区域尽量减少可燃、易燃液体的存放量。正负极的生产在物理和流程上要严格分离开。为了降低成品的火灾风险，应将锂离子电池的电量状态（SOC）控制在50% 以下。 在保护措施方面，目前主流的消防法规和标准都没有提供成熟的针对锂离子电池火灾的消防方案。生产区域的消防保护可以暂时参考一些关于洁净室的消防设计，对于火灾风险较大的生产设备提供区域性消防措施，如烘干炉和注液机台等。 锂离子电池仓储区域的消防设计，可以参考NFPA的一些联合研究和实验方案。火灾侦测方面，可考虑极早期空气分析系统，在仓储区域可布置红外热成像系统对成品温度进行实时监测。 最后，良好的风险管理程序和应急预案也必不可少。比如，进行必要的锂离子电池火灾风险及应急的培训，实施严格的整理整顿措施，不合格品的处理程序，仓储区域温湿度控制和良好仓库操作规范等。