全球“碳中和”挑戰下的鋰離子電池制造風險管理
4月22日，由瑞再企商主辦的網絡在線研討會《新能源風險版圖下，鋰離子電池制造風險管理研討會》順利上線，由瑞再企商大中華區財產險部負責人秦夢伶女士和風險工程部財產險資深風險工程師沈小星先生向聽眾介紹鋰離子電池行業的發展、未來潛力，生產制造過程中的風險，以及如何進行風險管理的案例和相關保險解決方案。 能源轉型和經濟活動電氣化 在今年的全國“兩會”上，“碳達峰”、“碳中和”目標被首次寫入《政府工作報告》，引起社會熱烈關注。業界人士認為，2021年不僅是綠色低碳經濟全球競爭的元年，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、工業生產、交通運輸、農牧業、供熱制冷等商業、生活諸多方面。要實現“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——能源轉型和經濟活動電氣化。 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 新能源持續發力，穩步取代化石能源 我國目前能源結構以煤為主，未來必須逐步減少對化石能源的依賴，優先發展非化石能源。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，風電、太陽能發電總裝機容量達到12億千瓦以上。 雖然以光伏、風能為代表的新能源比例不斷上升，但由于發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，電網靈活性調度，以及配套蓄能、儲能帶來很大挑戰。 經濟活動電氣化——新能源汽車首當其沖 而在經濟活動電氣化方面，新能源汽車產業近年來受到大力扶持，被提升至“十三五”政府產業支持發展重點，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《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》提出，到2025年，中國新能源汽車新車銷量在當年汽車銷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、技術創新，以及成本降低。 鋰離子電池助力“碳中和”目標實現 發展儲能是光伏、風電逐步成為國家主要能源的必經之路，同時也是以新能源汽車為代表的經濟活動全面電氣化轉型的重中之重。要實現2060年“碳中和”目標，鋰離子電池行業作為儲能領域的主要分支，必然肩負重任。 圖表：2019年全球鋰電子電池產品結構 數據來源：賽迪智庫，2020.4 隨著電子產品、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。據賽迪智庫數據顯示，2019年全球鋰離子電池產業規模達到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業規模 數據來源：賽迪智庫，2020.4 據彭博新能源財經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，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，鋰離子電池產品的價格也正在穩步下降，使得廠商可以以更為經濟的成本，實現更大規模的應用。據彭博新能源財經BNEF數據顯示，2010年，鋰離子電池組的價格還高達1100美元/千瓦時以上，而2020年底已經降至137美元/千瓦時，10年間降幅達89%。預測到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業 亞洲是鋰離子電池的主要生產基地，特別是電芯的生產。生產企業主要集中在中、日、韓三國，包括LG化學、松下、三星SDI、寧德時代、比亞迪等知名廠商，尤其在動力電池領域，寧德時代名列世界第一。近年來歐美也陸續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集成的商業模式轉向電芯的生產，以滿足日益增長的市場需求并防止供應鏈中斷風險。 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年增長四倍，達到13億千瓦時。亞太地區的制造能力目前占全球生產能力的80％。未來10年，該地區仍將是鋰離子電池生產的領導者。預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能的7％，但將在未來幾年內大幅提升產能，計劃于2030年達到全球產能的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，循環壽命長和無記憶效應等優點。因此，鋰離子電池已經變得無處不在，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，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險。 近年來，鋰離子電池事故常常見諸報端，造成了財產損失、營運中斷和人員傷亡。保險業也遭受過一些重大損失。因此，鋰離子電池制造和應用的相關風險也越來越受到重視。 電芯生產有哪些步驟？ 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。 各個環節對工藝要求極高，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生易燃易爆產物。有缺陷的產品也會發生熱失控，引發火災、爆炸等危險事故。 此外，電芯的生產往往在受控制的區域進行，如：潔凈室或干室，發生火災后即使過火面積不大，但產生的煙也會對潔凈環境、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熱反應，它可以在沒有氧氣的情況下在電芯內部發展。電芯發生熱失控反應之后，所放出來的熱，可以引燃附近連接著的其他電芯發生連鎖熱失控反應。通常，熱失控可由內部缺陷、外部撞擊、機械損壞等引起。 電芯生產環境：干燥+潔凈！ 鋰離子電池電芯的生產需要在潔凈室、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安全事故，因此對環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節，主要風險點在于電芯模組的充放電，以及后續火燒、振動、沖撞、擠壓等模擬測試環節。 鋰離子電池制造，如何進行風險管控？ 近年來，國內外火災研究機構、實驗室和保險公司一直在探索如何控制鋰離子電池生產過程和倉儲中的風險，并取得了很多階段性的研究成果。 我們從財產險風險管控的基本方針出發結合國內外的一些研究成果，來嘗試回答下：鋰離子電池制造，如何進行風險管控？ 首先，用于鋰離子電池的生產廠房應為不可燃建筑，最好是具有較高耐火等級的建筑，比如鋼筋混凝土結構。廠房內部的防火分隔不但要滿足生產的連續性，更要減小火災蔓延的風險。無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，電芯的生產布局要合理。潔凈室上面不應有其他的生產活動。廠房屋頂盡量不安裝太陽能光伏電池板。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。生產區域盡量減少可燃、易燃液體的存放量。正負極的生產在物理和流程上要嚴格分離開。為了降低成品的火災風險，應將鋰離子電池的電量狀態（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有提供成熟的針對鋰離子電池火災的消防方案。生產區域的消防保護可以暫時參考一些關于潔凈室的消防設計，對于火災風險較大的生產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的一些聯合研究和實驗方案。火災偵測方面，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行實時監測。 最后，良好的風險管理程序和應急預案也必不可少。比如，進行必要的鋰離子電池火災風險及應急的培訓，實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。