赢得电池竞赛 ： 美国如何超越中国主导下一代电池技术

2024年10月 赢得电池竞赛：美国如何超越中国主导下一代电池技术 VarunSivaram,NoahGordon,andDanielHelmeci 赢得电池竞赛：美国如何超越中国主导下一代电池技术 VarunSivaram,NoahGordon,andDanielHelmeci ©2024卡内基国际和平基金会。保留所有权利。 卡内基不就公共政策问题发表机构立场；此处的观点仅代表作者（们）的观点，并不一定反映卡内基、其工作人员或信托人views的看法。 未经卡内基国际和平基金会书面许可，不得以任何形式或通过任何形式复制或传递本出版物。请直接向以下地址咨询： ``` `卡``内基国际和平基金会出版社 地址：1779MassachusettsAvenueNW,Washington,DC20036 电话：+12024837600 传真：+12024831840 网址：CarnegieEndowment.org 本出版物可在CarnegieEndowment.org上免费下载。 Contents Introduction1 为什么追赶是如此困难2 下一代电池的承诺5 电池创新的全球竞争7 对美国的政策建议8 关于作者13 Notes15 卡内基国际和平基金会17 Introduction 美国电池行业已危险地落后于全球领先国家。作为现代经济的基础支柱，电池在消费电子设备（如手机）、军事装备（如无人机）以及清洁能源产品（如电动汽车和电网储能设施）中至关重要且无处不在。 在过去十年中，中国已在这一关键行业占据主导地位。从矿产开采和加工到当前一代锂离子电池技术的电池制造等价值链各个环节，中国的全球市场份额为70%至90%。1日本和韩国曾是电池技术与生产的世界领导者，如今其市场份额已变为少数，而美国则位居遥远的第四位。因此，美国几乎完全依赖亚洲进口当今广泛使用的电池。 好消息是，在经历了多年的开发后，更先进的电池技术有望在未来十年内进入商用市场——而扩大这些技术的生产规模的竞争仍然激烈。下一代电池与当今的锂离子电池相比，代表了一种全新的架构，抛弃了液态组件，转而采用固态架构，并消除了中国在石墨生产方面占据主导地位的材料。美国公司和研究机构在商业化下一代电池方面取得了显著进展，这些电池具有显著更好的性能。这些电池扩大了储能能力、提高了充电速度，并带来了根本性的安全改进。然而，竞争依然激烈，美国在亚洲的竞争对手正在大力投资创新。华盛顿必须迅速采取行动，从全球电池竞赛中灾难性的起步中恢复过来，并超越中国的领先地位。 11 即使承认下一代电池带来的机遇，美国必须对在当前技术领域竞争的可能性保持现实态度。在过去两年里，美国联邦政府对电池供应链的激励措施大幅增加，但超过90%的资金支持的是现有的一代锂离子电池。中国的锂离子电池技术领先地位使得美国很难在未来赶上。当然，确保今天电池的供应量（无论是通过国内生产还是来自可信赖伙伴国家的进口）是有必要的，以降低如果中国切断电池出口时的国家安全风险。此外，拥有一定数量熟悉电池制造的美国工人和企业也有其价值。 然而，美国应对电池危机的主要政策举措必须集中在迅速商业化下一代技术上，这些技术在美国确实具备竞争优势。尽管如此，这一目标将极具挑战性，但通过合理的成本是可以实现的。美国应加倍增加对研究与开发（R&D）的资金投入，针对激励措施和公共融资，以展示和扩大下一代电池的商业化生产，并利用公共采购创造受保护的市场环境，为创新技术获得市场份额提供机会。 为什么追赶是如此困难 电池竞赛的严峻状况可能令人惊讶，鉴于美国最近在电池产业进行了历史性投资 。在过去两年中，美国在电池和关键矿物精炼方面的投资至少增长了三倍，从2023年第二季度到2024年第二季度，电池制造投资总额达到409亿美元（见图1）。2这主要得益于政府政策和激励措施，特别是通货膨胀减少法中的制造业和投资税收 抵免。3美国正在经历电池行业的繁荣。鉴于此进展，它为什么不能期望缩小与中国的竞争力差距？ 简单来说，中国在现有锂离子电池生产领域的领先地位过于显著。经过数十年在中国对锂离子技术主导地位的投资，即使美国目前的增长几乎完全集中在制造当前的锂离子技术上，也没有阻止中国在成本和规模经济方面逐渐拉大差距。自2001年起，北京将电动汽车及其电池列为五年计划的重点，这主要是因为中国意识到在内燃机技术创新方面难以赶上美国和日本。4到2000年代末，中国政府对制造电动汽车电池的企业提供了大量支持，包括税收减免、廉价土地和公共采购 。中心的战略研究人员指出， 图1.美国清洁能源制造业投资蓬勃发展 2018-2024年美国清洁能源制造业投资 资料来源：铑集团，麻省理工学院CEEPR，清洁投资监测，2024年。 并且国际研究机构计算，在2009年至2023年间，中国政府对电池和电动汽车产业的支持总计达到2300亿美元。5中国主导了电池细胞及其上游供应链的每一个组件的制造（见图2a）。中国企业在国内精炼了世界上大部分的电池矿物，并且在海外拥有广泛的矿产利益。例如，本十年内，中国公司至少部分控股的企业将生产非洲锂矿供应量的90%以上。6 并且中国计划继续增加生产。国际能源署预计到2030年，“中国在阴极和阳极活性材料制造能力方面的主导地位不会出现显著下降；它也不认为即使所有已宣布的项目都能落实，美国能在锂离子市场中获得超过15%的份额。”7 此外，中国的生产能力远超世界需求，更不用说国内需求；以补贴驱动的制造业和出口模式导致全球产能过剩达400%（见图2b）。 图2(a).中国主导电池供应链 2024年全球电池组件产量 资料来源：BloombergNEF，长期电动汽车展望，2024年。 图2(b).2022-2030年锂离子电池的生产过剩 一个国家的产量与该国需求的比率 资料来源：BloombergNEF，长期电动汽车展望，2024年。 承认未来对清洁能源产品需求的预测始终存在不确定性，2024年对中国电池产业带来了整合潮和取消的投资。8但美国工厂和企业在与中国的生产规模竞争时显然面临巨大挑战。在中国产品在美国受保护市场中具有竞争力，并且在全球市场中比美国生产的电池更具竞争力的情况下，美国对中国的电动汽车和电池矿物征收关税。在中国领导层于7月18日召开的第三次会议上，在关键经济会议上，决定加大在电池、电动汽车和其他低碳技术的生产和出口方面的投入。9任何美国试图追赶当今锂离子电池中国制造商的努力都将需要巨额补贴以生产一种利润率微薄的大众商品，而中国的成本优势几乎是无法克服的。维持对一个长期不具备竞争力的行业进行持续资金投入的政治意愿将是极具挑战性的。 美国仍不能放弃这一领域，放弃对繁荣至关重要的经济部门。电池的最大用途是用于电动汽车（EVs），而向电动汽车的转型将使美国汽车工业面临风险，该行业对整个美国经济做出了重要贡献。美国有超过一百万的人直接从事机动车和零部件制造工作，该行业是美国金属加工能力的核心。10从加利福尼亚到德克萨 1 斯，电池也被越来越多地用于存储能源，并使依赖可再生能源的电网成为可能。1 电池为现代美国经济提供了动力，通过便携电子设备和日益增多的可穿戴设备 。电池对于现代军事操作至关重要，包括为战斗人员的装备以及海上和空中设备供电。 因此，任务是优先考虑下一代电池。 下一代电池的承诺 今天的中国大规模生产的锂离子电池是工业奇迹。电动汽车的电池组由成千上万个紧密排列的电池单元组成，每个单元又包含几十层具有精确化学组成的层次结构。然而，在商业锂离子电池技术改进了三十年之后，这些设备已经接近其性能理论极限。 下一代电池，本论文中定义为使用锂金属负极并能够实现固态结构的电池，可能打破这些性能极限，并消除锂离子电池的缺点，对各个应用领域产生革命性影响 。 下一代电池的优势在于安全性。当今的锂离子电池基于一种易燃的化学体系；当这些电池超过一定温度阈值时，会通过一种称为热失控的过程爆炸性地起火。由电池爆炸引发的致命火灾已在装载电动汽车的海洋油轮上发生过。 并且韩国发生的几起事件，包括电池工厂和公寓楼的火灾导致数十人死亡，已经降低了该国对电动汽车的需求。12但下一代电池本质上是安全的——由于其架构的原因，它们不会经历连锁反应的热失控。显著提高电池安全性可以降低电动汽车和便携电子设备的风险，同时也可以减少当前电池所需的防火屏障，从而减轻电池的重量并提升其性能。 更值得一提的是，下一代电池在关键性能指标（如体积和重量的能量密度、功率密度、充电速度和耐用性）方面可能远远超越现有电池的限制。每项优势都带来了革命性的新能力。下一代电池有可能解锁新一代可穿戴电子设备，延长无人机的航程和效能，并使车辆能够在单次充电后行驶超过1,000英里，其性能是当今电池包的五倍。此外，还有军事上的优势：高能量密度的电池可以为无人潜艇提供动力，并使战场上的士兵能够更长时间、更轻便地使用夜视镜等装备。13 实现这些新的性能门槛将需要超越现有的锂离子技术。通过逐步改进现有锂离子技术的方法，如在阳极中添加硅，可以实现性能提升，但这些电池仍然存在诸如导致可靠性下降的电芯膨胀等缺点。中国企业可能最有可能解决这些技术挑战，在其在现有锂离子技术领域的主导地位基础上，成为这些逐步改进的电池化学成分领域的强有力竞争对手，并继续利用其规模和经验在制造过程中进行创新。中国也在迅速行动，以主导低成本电池化学成分，例如钠离子电池，虽然钠离子电池的性能不如锂离子电池，但可以大幅降低成本并能够支持低成本、短续航的电动汽车或电网级储能。 但要实现所有性能指标的显著改善——从而支持最盈利且最具吸引力的应用——就必须消除当今电池的关键组件：石墨负极。用锂金属负极替代这些石墨负极能够实现更高能量密度的架构并加快充电速度。然而，这一改变需要重新设计电池的大部分其他部分以防止降解，例如通过消除液态电解质。事实上，许多人都将固态电池视为电池技术发展的圣杯。因此，各国纷纷加速开发和规模化生产下一代电池也就不足为奇了。在这方面，美国凭借其全球领先的技术创新生态系统具有关键优势，尽管中国和其他竞争对手也在努力缩小差距。 电池创新的全球竞争 下一代电池在各国争夺电池市场份额的竞争中扮演着关键的角色。在过去十年中，美国通过研究机构和风险投资支持的初创企业的研发努力，在技术方面取得了早期领先优势。如今，有多家在美国公开上市的企业正在开发下一代电池；其中唯一的具有数十亿美元价值的美国公司QuantumScape已经与汽车制造商大众集团达成了工业许可和制造协议。14 然而，全球竞争加剧，旨在率先推出下一代电池的技术竞赛愈演愈烈。最大的中国电池公司，包括宁德时代和比亚迪，已加入由中国政府领导的企业和研究机构联盟，目标是商业化固态电池。15在亚洲其他地区，日本汽车制造商丰田和日产计划在2028年前实现固态电池的生产，韩国大型企业集团三星则旨在在2027年前大规模生产下一代电池以供应高端车型。16 这种激烈竞争的原因在于下一代电池可能是夺取市场份额和实现盈利的关键。当前锂离子电池生产存在极端的中国过剩产能，这意味着当前电池销售的利润率可能非常薄甚至为负。17下一代电池可能具备较高的溢价能力。由于性能更优，它们能够为配备能耗密集型人工智能（AI）计算硬件的智能手机供电，或者为高性能电动汽车提供加速和续航里程的提升，并能解锁新的市场领域，如更强大且寿命更长的可穿戴设备。率先实现这一性能的企业和国家将处于有利位置，迅速在全球市场上占据一席之地。 下一代电池也可能带来重要的安全益处。转向使用锂金属阳极的电池将消除中国供应链中最集中的优势之一——石墨的加工和生产，从而降低中国如果切断对美国石墨供应时可能带来的潜在安全风险。 中国认识到若不在下一波电池创新中占据主导地位，将面临巨大损失。据BenchmarkMineralIntelligence预测，到2030年，中国在下一代电池生产中的份额预计仅占少数，这表明“对中国而言，固态电池在某种程度上被视为对其锂离子电池行业控制权的一种威