2019年3月16日,中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會與全國微電網(wǎng)與分布式電源并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會、中國科學(xué)院電工研究所儲能技術(shù)組、科華恒盛股份有限公司四家單位聯(lián)合主辦的"首屆全國儲能技術(shù)與綜合能源服務(wù)高層研討會"在福建廈門宸洲洲際酒店召開,來自電力公司、電科院、設(shè)計院、系統(tǒng)集成商、地方經(jīng)信委、投資機(jī)構(gòu)等230余人參加了本次會議。
本次研討會旨在推動儲能與綜合能源系統(tǒng)多環(huán)節(jié)技術(shù)與商業(yè)模式創(chuàng)新,持續(xù)提升客戶需求響應(yīng)能力與業(yè)務(wù)整體盈利能力。
中國科學(xué)院電工研究所儲能技術(shù)研究組組長、研究員陳永翀在會議期間分享了主旨報告《電池儲能技術(shù)問題與發(fā)展建議》,以下是他的發(fā)言原文:
我很高興有這樣的機(jī)會和大家探討四個方面的問題。一,儲能電池技術(shù)應(yīng)用場景的多元化;二,電池類型多元化;三,技術(shù)內(nèi)涵多元化;四,發(fā)展目標(biāo)的多元化。
我們先看大致的產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景。首先,2017年是中國發(fā)展儲能的共識之年,在這之前關(guān)于要不要發(fā)展儲能存在很多爭議。2017年《關(guān)于促進(jìn)儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》出臺是一個標(biāo)志,標(biāo)志著中國儲能春天的來臨,2018年全球以及中國的儲能項目迅速發(fā)展。其次,發(fā)展儲能的核心是促進(jìn)可再生能源消納,在最近5年光伏風(fēng)電發(fā)電成本快速下降,以及由于新能源汽車帶動動力電池的成本下降,使得儲能在原來一些缺乏競爭力的領(lǐng)域開始具備競爭力,儲能的多重價值逐漸被體現(xiàn)。第三,儲能春天已經(jīng)來臨,春天是萌芽、開花的季節(jié),但是儲能蓬勃發(fā)展的夏季還沒有到來?,F(xiàn)在各類儲能技術(shù),包括物理儲能、電化學(xué)儲能、化學(xué)儲能和儲熱蓄冷已經(jīng)紛紛開展示范和商業(yè)應(yīng)用,在應(yīng)用中展現(xiàn)了儲能的優(yōu)勢,同時也發(fā)現(xiàn)了不少問題。尤其是電化學(xué)儲能技術(shù),應(yīng)該說距離"低成本、長壽命、高安全、易回收"的總體目標(biāo)還有相當(dāng)?shù)牟罹?,有待技術(shù)創(chuàng)新和突破。
儲能有六大應(yīng)用場景,可再生能源并網(wǎng),電網(wǎng)輔助服務(wù),電網(wǎng)輸配,分布式及微網(wǎng),用戶側(cè),以及一個非常特殊的用戶側(cè):電動汽車VEG模式的供能系統(tǒng)。儲能應(yīng)用場景很多,大致可以分類儲能的三大作用:第一,平滑間歇性電源功率波動,這樣的場景需要功率型儲能技術(shù);第二,減小峰谷差,提高電力系統(tǒng)效率和設(shè)備利用率,這種場景下大部分需要容量型儲能技術(shù);第三,增加備用容量,提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定性和供電質(zhì)量,這個需要的是UPS備用型的儲能技術(shù)。當(dāng)然還有第四類復(fù)合型的應(yīng)用,尤其是電網(wǎng)側(cè)應(yīng)用,參與調(diào)峰調(diào)頻和緊急備用,我們稱它為復(fù)合型或者是能量型的儲能技術(shù)。所以說,儲能的應(yīng)用場景是多元的。
因此,我們可以從應(yīng)用要求反推儲能電池的類型也可以分為四大類:容量型儲能電池,功率型儲能電池,能量型儲能電池,以及備用型儲能電池。根據(jù)電池使用的功率容量比值做一個區(qū)別,有利于我們發(fā)展不同類型的儲能電池技術(shù)。尤其是備用型儲能電池。目前來看動力電池的梯級利用從大到小是完全可能的,但是從小到大還是面臨非常大的難度,它的一致性、安全性問題,以及成本面臨非常大的挑戰(zhàn)。但是,將動力電池梯級利用在一些備用型的儲能場景還是有可能的。所謂備用型儲能,可能一年的充放電次數(shù)也就那么幾次,而不是每天都要進(jìn)行充放電。
我們經(jīng)常會談到儲能技術(shù),尤其是儲能電池技術(shù)。那么,到底什么是儲能電池技術(shù),它的技術(shù)內(nèi)涵是什么?我總結(jié)了一下,儲能電池技術(shù)應(yīng)該包括六大內(nèi)涵。
第一是材料技術(shù),這是基礎(chǔ)。但是對于儲能電池來說,我特別想強(qiáng)調(diào)材料性能,尤其實驗室研究的材料性能,跟實際的到未來做成大電池、進(jìn)行儲能應(yīng)用的電池性能相差還是非常大的,所以千萬不能把實驗室材料性能等同于儲能電池的性能,更不能等同于儲能電池系統(tǒng)的性能。
第二是結(jié)構(gòu)技術(shù)。相對消費類小電池來說,儲能場景要求大功率、大容量。因此,未來儲能電池的研發(fā)要充分考慮電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)的融合設(shè)計,通過一些內(nèi)部結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新發(fā)展減輕外部系統(tǒng)面臨的成本和安全性的壓力,這是未來儲能電池結(jié)構(gòu)技術(shù)研究的重要方向。希望我們的儲能電池能夠由"嬌小富貴"變成結(jié)實耐用的"傻大笨粗",以滿足電力系統(tǒng)的實際場景需求。
第三,制造技術(shù)。尤其是鋰離子電池,它的制造技術(shù)來源于以前的磁帶技術(shù),采用粘接薄膜電解結(jié)構(gòu),需要高精度的、非常復(fù)雜的、幾百道的制造工序。未來如果想降低制造成本,還需要結(jié)合電池的結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新,讓整個制造環(huán)節(jié)變得簡單,不要往復(fù)雜化方向發(fā)展。
第四應(yīng)用技術(shù)。儲能電池應(yīng)用技術(shù)就是電力系統(tǒng)經(jīng)常提到的、狹義上的電池儲能技術(shù),包括系統(tǒng)集成技術(shù),BMS,PCS與EMS。應(yīng)用技術(shù)非常重要,需要針對不同的應(yīng)用場景開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用技術(shù),積累應(yīng)用數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)應(yīng)用問題,評估應(yīng)用經(jīng)濟(jì)。未來應(yīng)該會出現(xiàn)以應(yīng)用技術(shù)開發(fā)為核心的獨立的儲能電池系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)商,負(fù)責(zé)儲能系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)劃、租賃運維和報廢回收,并與保險公司合作,承諾負(fù)責(zé)系統(tǒng)的使用壽命和運行安全。
第五再生技術(shù)。我們的消費類電池,壽命有三到五年就可以了,因為三到五年我們手機(jī)也要更換,電池壽命再長也沒有多大意義。但是,電力系統(tǒng)對于電池儲能系統(tǒng)要求十年甚至二十年以上的壽命要求,而十年對于我們電池來說幾乎是現(xiàn)有技術(shù)的一個天花板。因此未來儲能系統(tǒng)運行過程中,可能還需要開發(fā)新型的電池再生技術(shù),延長儲能電池的應(yīng)用使用壽命。當(dāng)電池使用一段時間后,可以通過正負(fù)極材料表面SEI膜原位修復(fù)、電解液的補充和更換等方式對電池性能進(jìn)行再"激活",延長儲能鋰電池的實際日歷使用壽命。例如,鋰漿料電池的漿料厚電極形態(tài)賦予了其在使用期進(jìn)行在線再生的可能性。
最后一個,回收技術(shù),這點非常重要。包括廢舊電池的更換處理技術(shù)、安全運輸技術(shù)、回收處理技術(shù)和資源再利用技術(shù)。鋰電池的回收流程和技術(shù)還不成熟,需要與材料技術(shù)和結(jié)構(gòu)技術(shù)相結(jié)合,發(fā)展方便回收再生的新型儲能電池技術(shù),在產(chǎn)品設(shè)計方面加以創(chuàng)新改進(jìn),從生產(chǎn)端提前考慮電池回收處理的環(huán)節(jié),以實現(xiàn)儲能鋰電池產(chǎn)業(yè)的資源可持續(xù)發(fā)展,這一點具有重要的戰(zhàn)略意義。這兩天協(xié)會正在帶著世行專家去考察現(xiàn)有的電池回收情況。包括更換處理、安全運輸、報廢回收以及資源再利用。我們知道報廢電池的危險性比新電池的危險性高,電池報廢以后怎么運回基地,有沒有可能開發(fā)創(chuàng)新的技術(shù)?在電池報廢前進(jìn)行安全處理,使它絕對不可能燃燒爆炸,這是儲能電池面臨的新課題。
所以說儲能電池的技術(shù)內(nèi)涵非常豐富,這六大技術(shù)內(nèi)涵需要我們從各個方面進(jìn)行突破,而不僅僅是材料技術(shù)的突破。
行業(yè)痛點問題。儲能電池的四大綜合問題:成本高、壽命短、安全差、回收難。對于鋰離子電池來說,它是一個粘接涂布薄膜電極結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部極片并聯(lián)后極耳引出的核心設(shè)計思路,所以給電池單體以及電池系統(tǒng)的一致性設(shè)計帶來根本性的難題。昨天我們到科華,科華的陳總說納米顆粒材料在電池中的應(yīng)用需要納米級的機(jī)械控制和電力控制,這個很有道理。這就要求現(xiàn)有的電池制造控制精度非常高。為什么?因為它的電極層厚度只有很薄的100多微米,里面包含納米微米級的顆粒,所以要求高精度的控制,這樣使得電池制造成本的降低有相當(dāng)大的難度。因此需要創(chuàng)新技術(shù),例如,開發(fā)容量型超厚電極技術(shù),以降低對制造精密度的絕對要求,降低儲能電池的制造成本。
因此我們說儲能電池的發(fā)展,已經(jīng)從當(dāng)初對消費類電池的高能量密度的首要要求,逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閷Φ统杀镜暮诵囊?。電池在手機(jī)中的使用是剛需,手機(jī)離不開電池,因此電池便宜也好,貴也好,必須要用電池。但是,儲能電池如果太貴的話電力系統(tǒng)可以不用,甚至可以用非儲能的手段解決一些儲能面臨的問題。所以"低成本"成為我們儲能電池發(fā)展的首要目標(biāo)。
發(fā)展目標(biāo)我大致解釋一下。狹義的儲能電池成本僅包括一次(采購)成本,廣義的儲能電池成本還包括二次(運維)成本和三次(回收)成本。其中,一次成本包括電池的材料成本和生產(chǎn)制造成本。在材料成本下降空間有限的情況下,通過電池結(jié)構(gòu)技術(shù)的顛覆設(shè)計,簡化電池生產(chǎn)工藝,降低制造成本和人力成本,將會是新型儲能電池重要的降成本方向。二次成本與電池使用壽命息息相關(guān)。需要結(jié)合材料技術(shù)和結(jié)構(gòu)技術(shù),發(fā)展新型修復(fù)再生技術(shù),提升電池使用壽命,降低容量型電池的度電成本和功率型電池的頻次成本。三次成本主要指電池的回收成本。目前儲能電池的回收再生環(huán)節(jié)若要做到完全符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的要求,成本還是非常高的,需要有創(chuàng)新的電池設(shè)計思路和回收再生思路,降低電池的三次成本。
現(xiàn)在儲能電池成本相對較高,因此可以首先應(yīng)用在一些互補的場景,在未來,隨著成本的下降,再逐漸往競爭的場景應(yīng)用。
第二個長壽命,電池循環(huán)次數(shù)壽命是日歷使用壽命的基礎(chǔ),但并不等同于電池的實際日歷使用壽命。目前,還缺乏合適的加速老化實驗標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)?yīng)電池實際的日歷衰減變化。未來除了需要建立相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)以外,還需要開發(fā)創(chuàng)新的在線修復(fù)再生技術(shù),提升儲能電池的日歷使用壽命,滿足實際儲能的工況要求。如果實驗室測試電池循環(huán)壽命是3650次,即使一天一充一放,一年365天共365次,十年剛好3650次,我們也不能說該電池就具備十年的日歷使用壽命。因為電池是一個高度非平衡的化學(xué)體系,既使是不充放電,放在某個地方,它的性能也是在衰減的,這點很重要。所以未來要開發(fā)再生技術(shù),原因在這里。而且,應(yīng)用發(fā)展方向會由現(xiàn)在的被動更換到以后的主動運維,我們需要主動運維。我們的抽水蓄能電站一年運維費差不多七千萬元到八千萬元,為什么電化學(xué)儲能系統(tǒng)就不需要運維?這是不可能的。
第三個是目標(biāo)是高安全。儲能電池的安全性非常重要。相對而言,水系電池如液流電池、鉛酸電池等安全性較好,能夠滿足儲能電站的安全性要求,但也需要嚴(yán)格控制電池的充電截止電壓,以防止水溶液過壓電解后的析氫爆炸;有機(jī)系鋰離子電池的安全性問題較為突出,目前總體而言處于安全及格線60分上下的水平,有待技術(shù)突破;固態(tài)電池不含易燃的電解液,因此具有最高的安全性,在未來實現(xiàn)量產(chǎn)后有可能會首先應(yīng)用到高安全要求的某些特殊場景。但是,固態(tài)電池要規(guī)模應(yīng)用于電力儲能,在降本增壽和系統(tǒng)一致性方面還有相當(dāng)?shù)睦щy需要克服。另外,固態(tài)電池的回收處理也是一大難題。
避免電池(內(nèi)部或外部)短路的安全預(yù)防技術(shù)以及在電池短路發(fā)生后的應(yīng)急維護(hù)技術(shù)是儲能電池安全技術(shù)發(fā)展的重要方向。僅僅通過外部滅火裝置進(jìn)行儲能鋰電池的安全保護(hù),是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,未來必須開發(fā)顛覆性的電池結(jié)構(gòu)技術(shù)和安全維護(hù)技術(shù),從電池內(nèi)部徹底解決電池的安全問題,確保儲能電池的安全運輸和儲能電站的安全運行。
第四個目標(biāo),易回收。資源的循環(huán)再生利用將是儲能電池未來規(guī)模應(yīng)用面臨的最大挑戰(zhàn)。儲能電池要達(dá)到易回收的目標(biāo)有三點基本要求:1、電池回收過程符合安全和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn);2、稀有貴金屬元素做到接近100%的再生利用;3、電池有一定回收殘值。
現(xiàn)在示范應(yīng)用的儲能鋰電池系統(tǒng)基本上沒有考慮到未來電池報廢后的回收處理環(huán)節(jié)。更為嚴(yán)重的是,目前電池界廣泛存在一種錯誤的觀念,認(rèn)為報廢鋰電池富含各類有價值的貴金屬,因此根本不用擔(dān)心回收處理的問題。
實際情況是,報廢電池的"價值"與"環(huán)保"之間存在較為嚴(yán)重的沖突和矛盾,現(xiàn)有儲能鋰電池的材料體系選擇和電池結(jié)構(gòu)設(shè)計,使得完全符合環(huán)保要求的有價值的回收處理工作非常困難??稍偕茉吹陌l(fā)展需要可再生儲能的支撐,如果儲能電池材料資源不能得到很好的循環(huán)利用,比如目前電池的鋰元素只有70%多得以回收利用。目前若要達(dá)到90%以上的回收率,技術(shù)上完全可以做到,但是成本上根本接受不了?,F(xiàn)在只是把有利可圖的元素提煉出來,其它不好處理的再進(jìn)行報廢填埋。未來若要爭取90%以上的材料回收,必須開發(fā)易回收的新型的儲能電池結(jié)構(gòu)技術(shù)和回收技術(shù)。
我們現(xiàn)有的示范和商業(yè)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)當(dāng)然是基于現(xiàn)有相對成熟的技術(shù)產(chǎn)品,比如磷酸鐵鋰電池,現(xiàn)在已逐步應(yīng)用于電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)的儲能電站建設(shè)。但基于上述發(fā)展目標(biāo)的差距,未來我們還需要發(fā)展新的儲能電池技術(shù),需要徹底脫離小型電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路,開發(fā)顛覆性的大型儲能電池技術(shù),例如,適用于容量型儲能的漿料電池技術(shù),適用于功率型儲能的高壓電池技術(shù),以及其它技術(shù)方向。百花齊放,百家爭鳴。下面我簡單地介紹一下我們的工作。
鋰漿料電池,電池的全部或部分電極是由漿料態(tài)的儲鋰活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和電解液構(gòu)成。鋰漿料電池(Lithium Slurry Battery)的技術(shù)名稱是由我們團(tuán)隊在2015年發(fā)明專利中第一次正式提出,但最初的研發(fā)工作在8年以前就開始了。與傳統(tǒng)鋰離子電池的固定粘結(jié)電極不同,鋰漿料電池具有超厚漿料電極和可維護(hù)再生的兩大顯著的技術(shù)特征。
超厚漿料電極:漿料態(tài)的電極厚度可以達(dá)到毫米級的超級厚度,是普通鋰離子電池涂布粘接電極厚度的10倍以上,絕對精度控制更容易,電池制造成本降低,單個電極片容量大幅提升,更適合提供大容量的儲能電力輸出;非粘結(jié)狀態(tài)電極不存在松動脫落問題,動態(tài)使用壽命長。
可維護(hù)再生:當(dāng)電池使用一段時間性能下降后,通過換液再生技術(shù)修復(fù)電池內(nèi)部界面,重新提升電池活力,延長日歷使用壽命;電池報廢后,非粘結(jié)態(tài)電極易于回收處理,實現(xiàn)90%以上材料的低成本循環(huán)再生利用。
目前鋰漿料電池已經(jīng)在光伏儲能系統(tǒng)和低速電動車?yán)镩_展示范應(yīng)用。這是第三方的安全測試,這是專利,我們已經(jīng)申請90多項發(fā)明專利,在國際上有獨立自主的技術(shù)卡法路線。這是我們的中試基地,一共1400平米,已經(jīng)開發(fā)了第一代中試產(chǎn)品,目前正在開發(fā)第二代,預(yù)計下半年可以開始放大生產(chǎn)線的建設(shè)。
儲能的應(yīng)用場景多元。因此沒有任何一種技術(shù)能把所有的儲能問題解決。鋰漿料電池是典型的容量型電池,不適合在高倍率下運用,所以高功率儲能場景需要其他一些新的技術(shù)開發(fā)好應(yīng)用,比如高電壓電池。
總結(jié),第一,以需求為導(dǎo)向,要根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域的實際需求發(fā)展相適應(yīng)的儲能技術(shù),低成本、長壽命、高安全、易回收是儲能電池技術(shù)發(fā)展的總體目標(biāo)。第二,未來需要創(chuàng)新,而且不僅僅是材料創(chuàng)新,還包括結(jié)構(gòu)技術(shù)、制造技術(shù)、修復(fù)技術(shù)、回收技術(shù),以及應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新,有很多的研發(fā)工作要做。第三,盡管有各種各樣的新型技術(shù)在實驗室出現(xiàn),在實際應(yīng)用中,最近五年,針對不同儲能應(yīng)用場景進(jìn)行創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計的專門的大容量,大功率的儲能鋰電池將得到最廣泛的應(yīng)用。儲能從促進(jìn)可再生能源消納到降低可再生能源利用成本,任重道遠(yuǎn),還有很長的路要走。
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2019年3月16日,中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會與全國微電網(wǎng)與分布式電源并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會、中國科學(xué)院電工研究所儲能技術(shù)組、科華恒盛股份有限公司四家單位聯(lián)合主辦的"首屆全國儲能技術(shù)與綜合能源服務(wù)高層研討會"在福建廈門宸洲洲際酒店召開,來自電力公司、電科院、設(shè)計院、系統(tǒng)集成商、地方經(jīng)信委、投資機(jī)構(gòu)等230余人參加了本次會議。
本次研討會旨在推動儲能與綜合能源系統(tǒng)多環(huán)節(jié)技術(shù)與商業(yè)模式創(chuàng)新,持續(xù)提升客戶需求響應(yīng)能力與業(yè)務(wù)整體盈利能力。
中國科學(xué)院電工研究所儲能技術(shù)研究組組長、研究員陳永翀在會議期間分享了主旨報告《電池儲能技術(shù)問題與發(fā)展建議》,以下是他的發(fā)言原文:
我很高興有這樣的機(jī)會和大家探討四個方面的問題。一,儲能電池技術(shù)應(yīng)用場景的多元化;二,電池類型多元化;三,技術(shù)內(nèi)涵多元化;四,發(fā)展目標(biāo)的多元化。
我們先看大致的產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景。首先,2017年是中國發(fā)展儲能的共識之年,在這之前關(guān)于要不要發(fā)展儲能存在很多爭議。2017年《關(guān)于促進(jìn)儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》出臺是一個標(biāo)志,標(biāo)志著中國儲能春天的來臨,2018年全球以及中國的儲能項目迅速發(fā)展。其次,發(fā)展儲能的核心是促進(jìn)可再生能源消納,在最近5年光伏風(fēng)電發(fā)電成本快速下降,以及由于新能源汽車帶動動力電池的成本下降,使得儲能在原來一些缺乏競爭力的領(lǐng)域開始具備競爭力,儲能的多重價值逐漸被體現(xiàn)。第三,儲能春天已經(jīng)來臨,春天是萌芽、開花的季節(jié),但是儲能蓬勃發(fā)展的夏季還沒有到來?,F(xiàn)在各類儲能技術(shù),包括物理儲能、電化學(xué)儲能、化學(xué)儲能和儲熱蓄冷已經(jīng)紛紛開展示范和商業(yè)應(yīng)用,在應(yīng)用中展現(xiàn)了儲能的優(yōu)勢,同時也發(fā)現(xiàn)了不少問題。尤其是電化學(xué)儲能技術(shù),應(yīng)該說距離"低成本、長壽命、高安全、易回收"的總體目標(biāo)還有相當(dāng)?shù)牟罹?,有待技術(shù)創(chuàng)新和突破。
儲能有六大應(yīng)用場景,可再生能源并網(wǎng),電網(wǎng)輔助服務(wù),電網(wǎng)輸配,分布式及微網(wǎng),用戶側(cè),以及一個非常特殊的用戶側(cè):電動汽車VEG模式的供能系統(tǒng)。儲能應(yīng)用場景很多,大致可以分類儲能的三大作用:第一,平滑間歇性電源功率波動,這樣的場景需要功率型儲能技術(shù);第二,減小峰谷差,提高電力系統(tǒng)效率和設(shè)備利用率,這種場景下大部分需要容量型儲能技術(shù);第三,增加備用容量,提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定性和供電質(zhì)量,這個需要的是UPS備用型的儲能技術(shù)。當(dāng)然還有第四類復(fù)合型的應(yīng)用,尤其是電網(wǎng)側(cè)應(yīng)用,參與調(diào)峰調(diào)頻和緊急備用,我們稱它為復(fù)合型或者是能量型的儲能技術(shù)。所以說,儲能的應(yīng)用場景是多元的。
因此,我們可以從應(yīng)用要求反推儲能電池的類型也可以分為四大類:容量型儲能電池,功率型儲能電池,能量型儲能電池,以及備用型儲能電池。根據(jù)電池使用的功率容量比值做一個區(qū)別,有利于我們發(fā)展不同類型的儲能電池技術(shù)。尤其是備用型儲能電池。目前來看動力電池的梯級利用從大到小是完全可能的,但是從小到大還是面臨非常大的難度,它的一致性、安全性問題,以及成本面臨非常大的挑戰(zhàn)。但是,將動力電池梯級利用在一些備用型的儲能場景還是有可能的。所謂備用型儲能,可能一年的充放電次數(shù)也就那么幾次,而不是每天都要進(jìn)行充放電。
我們經(jīng)常會談到儲能技術(shù),尤其是儲能電池技術(shù)。那么,到底什么是儲能電池技術(shù),它的技術(shù)內(nèi)涵是什么?我總結(jié)了一下,儲能電池技術(shù)應(yīng)該包括六大內(nèi)涵。
第一是材料技術(shù),這是基礎(chǔ)。但是對于儲能電池來說,我特別想強(qiáng)調(diào)材料性能,尤其實驗室研究的材料性能,跟實際的到未來做成大電池、進(jìn)行儲能應(yīng)用的電池性能相差還是非常大的,所以千萬不能把實驗室材料性能等同于儲能電池的性能,更不能等同于儲能電池系統(tǒng)的性能。
第二是結(jié)構(gòu)技術(shù)。相對消費類小電池來說,儲能場景要求大功率、大容量。因此,未來儲能電池的研發(fā)要充分考慮電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)的融合設(shè)計,通過一些內(nèi)部結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新發(fā)展減輕外部系統(tǒng)面臨的成本和安全性的壓力,這是未來儲能電池結(jié)構(gòu)技術(shù)研究的重要方向。希望我們的儲能電池能夠由"嬌小富貴"變成結(jié)實耐用的"傻大笨粗",以滿足電力系統(tǒng)的實際場景需求。
第三,制造技術(shù)。尤其是鋰離子電池,它的制造技術(shù)來源于以前的磁帶技術(shù),采用粘接薄膜電解結(jié)構(gòu),需要高精度的、非常復(fù)雜的、幾百道的制造工序。未來如果想降低制造成本,還需要結(jié)合電池的結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新,讓整個制造環(huán)節(jié)變得簡單,不要往復(fù)雜化方向發(fā)展。
第四應(yīng)用技術(shù)。儲能電池應(yīng)用技術(shù)就是電力系統(tǒng)經(jīng)常提到的、狹義上的電池儲能技術(shù),包括系統(tǒng)集成技術(shù),BMS,PCS與EMS。應(yīng)用技術(shù)非常重要,需要針對不同的應(yīng)用場景開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用技術(shù),積累應(yīng)用數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)應(yīng)用問題,評估應(yīng)用經(jīng)濟(jì)。未來應(yīng)該會出現(xiàn)以應(yīng)用技術(shù)開發(fā)為核心的獨立的儲能電池系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)商,負(fù)責(zé)儲能系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)劃、租賃運維和報廢回收,并與保險公司合作,承諾負(fù)責(zé)系統(tǒng)的使用壽命和運行安全。
第五再生技術(shù)。我們的消費類電池,壽命有三到五年就可以了,因為三到五年我們手機(jī)也要更換,電池壽命再長也沒有多大意義。但是,電力系統(tǒng)對于電池儲能系統(tǒng)要求十年甚至二十年以上的壽命要求,而十年對于我們電池來說幾乎是現(xiàn)有技術(shù)的一個天花板。因此未來儲能系統(tǒng)運行過程中,可能還需要開發(fā)新型的電池再生技術(shù),延長儲能電池的應(yīng)用使用壽命。當(dāng)電池使用一段時間后,可以通過正負(fù)極材料表面SEI膜原位修復(fù)、電解液的補充和更換等方式對電池性能進(jìn)行再"激活",延長儲能鋰電池的實際日歷使用壽命。例如,鋰漿料電池的漿料厚電極形態(tài)賦予了其在使用期進(jìn)行在線再生的可能性。
最后一個,回收技術(shù),這點非常重要。包括廢舊電池的更換處理技術(shù)、安全運輸技術(shù)、回收處理技術(shù)和資源再利用技術(shù)。鋰電池的回收流程和技術(shù)還不成熟,需要與材料技術(shù)和結(jié)構(gòu)技術(shù)相結(jié)合,發(fā)展方便回收再生的新型儲能電池技術(shù),在產(chǎn)品設(shè)計方面加以創(chuàng)新改進(jìn),從生產(chǎn)端提前考慮電池回收處理的環(huán)節(jié),以實現(xiàn)儲能鋰電池產(chǎn)業(yè)的資源可持續(xù)發(fā)展,這一點具有重要的戰(zhàn)略意義。這兩天協(xié)會正在帶著世行專家去考察現(xiàn)有的電池回收情況。包括更換處理、安全運輸、報廢回收以及資源再利用。我們知道報廢電池的危險性比新電池的危險性高,電池報廢以后怎么運回基地,有沒有可能開發(fā)創(chuàng)新的技術(shù)?在電池報廢前進(jìn)行安全處理,使它絕對不可能燃燒爆炸,這是儲能電池面臨的新課題。
所以說儲能電池的技術(shù)內(nèi)涵非常豐富,這六大技術(shù)內(nèi)涵需要我們從各個方面進(jìn)行突破,而不僅僅是材料技術(shù)的突破。
行業(yè)痛點問題。儲能電池的四大綜合問題:成本高、壽命短、安全差、回收難。對于鋰離子電池來說,它是一個粘接涂布薄膜電極結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部極片并聯(lián)后極耳引出的核心設(shè)計思路,所以給電池單體以及電池系統(tǒng)的一致性設(shè)計帶來根本性的難題。昨天我們到科華,科華的陳總說納米顆粒材料在電池中的應(yīng)用需要納米級的機(jī)械控制和電力控制,這個很有道理。這就要求現(xiàn)有的電池制造控制精度非常高。為什么?因為它的電極層厚度只有很薄的100多微米,里面包含納米微米級的顆粒,所以要求高精度的控制,這樣使得電池制造成本的降低有相當(dāng)大的難度。因此需要創(chuàng)新技術(shù),例如,開發(fā)容量型超厚電極技術(shù),以降低對制造精密度的絕對要求,降低儲能電池的制造成本。
因此我們說儲能電池的發(fā)展,已經(jīng)從當(dāng)初對消費類電池的高能量密度的首要要求,逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閷Φ统杀镜暮诵囊?。電池在手機(jī)中的使用是剛需,手機(jī)離不開電池,因此電池便宜也好,貴也好,必須要用電池。但是,儲能電池如果太貴的話電力系統(tǒng)可以不用,甚至可以用非儲能的手段解決一些儲能面臨的問題。所以"低成本"成為我們儲能電池發(fā)展的首要目標(biāo)。
發(fā)展目標(biāo)我大致解釋一下。狹義的儲能電池成本僅包括一次(采購)成本,廣義的儲能電池成本還包括二次(運維)成本和三次(回收)成本。其中,一次成本包括電池的材料成本和生產(chǎn)制造成本。在材料成本下降空間有限的情況下,通過電池結(jié)構(gòu)技術(shù)的顛覆設(shè)計,簡化電池生產(chǎn)工藝,降低制造成本和人力成本,將會是新型儲能電池重要的降成本方向。二次成本與電池使用壽命息息相關(guān)。需要結(jié)合材料技術(shù)和結(jié)構(gòu)技術(shù),發(fā)展新型修復(fù)再生技術(shù),提升電池使用壽命,降低容量型電池的度電成本和功率型電池的頻次成本。三次成本主要指電池的回收成本。目前儲能電池的回收再生環(huán)節(jié)若要做到完全符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的要求,成本還是非常高的,需要有創(chuàng)新的電池設(shè)計思路和回收再生思路,降低電池的三次成本。
現(xiàn)在儲能電池成本相對較高,因此可以首先應(yīng)用在一些互補的場景,在未來,隨著成本的下降,再逐漸往競爭的場景應(yīng)用。
第二個長壽命,電池循環(huán)次數(shù)壽命是日歷使用壽命的基礎(chǔ),但并不等同于電池的實際日歷使用壽命。目前,還缺乏合適的加速老化實驗標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)?yīng)電池實際的日歷衰減變化。未來除了需要建立相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)以外,還需要開發(fā)創(chuàng)新的在線修復(fù)再生技術(shù),提升儲能電池的日歷使用壽命,滿足實際儲能的工況要求。如果實驗室測試電池循環(huán)壽命是3650次,即使一天一充一放,一年365天共365次,十年剛好3650次,我們也不能說該電池就具備十年的日歷使用壽命。因為電池是一個高度非平衡的化學(xué)體系,既使是不充放電,放在某個地方,它的性能也是在衰減的,這點很重要。所以未來要開發(fā)再生技術(shù),原因在這里。而且,應(yīng)用發(fā)展方向會由現(xiàn)在的被動更換到以后的主動運維,我們需要主動運維。我們的抽水蓄能電站一年運維費差不多七千萬元到八千萬元,為什么電化學(xué)儲能系統(tǒng)就不需要運維?這是不可能的。
第三個是目標(biāo)是高安全。儲能電池的安全性非常重要。相對而言,水系電池如液流電池、鉛酸電池等安全性較好,能夠滿足儲能電站的安全性要求,但也需要嚴(yán)格控制電池的充電截止電壓,以防止水溶液過壓電解后的析氫爆炸;有機(jī)系鋰離子電池的安全性問題較為突出,目前總體而言處于安全及格線60分上下的水平,有待技術(shù)突破;固態(tài)電池不含易燃的電解液,因此具有最高的安全性,在未來實現(xiàn)量產(chǎn)后有可能會首先應(yīng)用到高安全要求的某些特殊場景。但是,固態(tài)電池要規(guī)模應(yīng)用于電力儲能,在降本增壽和系統(tǒng)一致性方面還有相當(dāng)?shù)睦щy需要克服。另外,固態(tài)電池的回收處理也是一大難題。
避免電池(內(nèi)部或外部)短路的安全預(yù)防技術(shù)以及在電池短路發(fā)生后的應(yīng)急維護(hù)技術(shù)是儲能電池安全技術(shù)發(fā)展的重要方向。僅僅通過外部滅火裝置進(jìn)行儲能鋰電池的安全保護(hù),是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,未來必須開發(fā)顛覆性的電池結(jié)構(gòu)技術(shù)和安全維護(hù)技術(shù),從電池內(nèi)部徹底解決電池的安全問題,確保儲能電池的安全運輸和儲能電站的安全運行。
第四個目標(biāo),易回收。資源的循環(huán)再生利用將是儲能電池未來規(guī)模應(yīng)用面臨的最大挑戰(zhàn)。儲能電池要達(dá)到易回收的目標(biāo)有三點基本要求:1、電池回收過程符合安全和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn);2、稀有貴金屬元素做到接近100%的再生利用;3、電池有一定回收殘值。
現(xiàn)在示范應(yīng)用的儲能鋰電池系統(tǒng)基本上沒有考慮到未來電池報廢后的回收處理環(huán)節(jié)。更為嚴(yán)重的是,目前電池界廣泛存在一種錯誤的觀念,認(rèn)為報廢鋰電池富含各類有價值的貴金屬,因此根本不用擔(dān)心回收處理的問題。
實際情況是,報廢電池的"價值"與"環(huán)保"之間存在較為嚴(yán)重的沖突和矛盾,現(xiàn)有儲能鋰電池的材料體系選擇和電池結(jié)構(gòu)設(shè)計,使得完全符合環(huán)保要求的有價值的回收處理工作非常困難??稍偕茉吹陌l(fā)展需要可再生儲能的支撐,如果儲能電池材料資源不能得到很好的循環(huán)利用,比如目前電池的鋰元素只有70%多得以回收利用。目前若要達(dá)到90%以上的回收率,技術(shù)上完全可以做到,但是成本上根本接受不了?,F(xiàn)在只是把有利可圖的元素提煉出來,其它不好處理的再進(jìn)行報廢填埋。未來若要爭取90%以上的材料回收,必須開發(fā)易回收的新型的儲能電池結(jié)構(gòu)技術(shù)和回收技術(shù)。
我們現(xiàn)有的示范和商業(yè)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)當(dāng)然是基于現(xiàn)有相對成熟的技術(shù)產(chǎn)品,比如磷酸鐵鋰電池,現(xiàn)在已逐步應(yīng)用于電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)的儲能電站建設(shè)。但基于上述發(fā)展目標(biāo)的差距,未來我們還需要發(fā)展新的儲能電池技術(shù),需要徹底脫離小型電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路,開發(fā)顛覆性的大型儲能電池技術(shù),例如,適用于容量型儲能的漿料電池技術(shù),適用于功率型儲能的高壓電池技術(shù),以及其它技術(shù)方向。百花齊放,百家爭鳴。下面我簡單地介紹一下我們的工作。
鋰漿料電池,電池的全部或部分電極是由漿料態(tài)的儲鋰活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和電解液構(gòu)成。鋰漿料電池(Lithium Slurry Battery)的技術(shù)名稱是由我們團(tuán)隊在2015年發(fā)明專利中第一次正式提出,但最初的研發(fā)工作在8年以前就開始了。與傳統(tǒng)鋰離子電池的固定粘結(jié)電極不同,鋰漿料電池具有超厚漿料電極和可維護(hù)再生的兩大顯著的技術(shù)特征。
超厚漿料電極:漿料態(tài)的電極厚度可以達(dá)到毫米級的超級厚度,是普通鋰離子電池涂布粘接電極厚度的10倍以上,絕對精度控制更容易,電池制造成本降低,單個電極片容量大幅提升,更適合提供大容量的儲能電力輸出;非粘結(jié)狀態(tài)電極不存在松動脫落問題,動態(tài)使用壽命長。
可維護(hù)再生:當(dāng)電池使用一段時間性能下降后,通過換液再生技術(shù)修復(fù)電池內(nèi)部界面,重新提升電池活力,延長日歷使用壽命;電池報廢后,非粘結(jié)態(tài)電極易于回收處理,實現(xiàn)90%以上材料的低成本循環(huán)再生利用。
目前鋰漿料電池已經(jīng)在光伏儲能系統(tǒng)和低速電動車?yán)镩_展示范應(yīng)用。這是第三方的安全測試,這是專利,我們已經(jīng)申請90多項發(fā)明專利,在國際上有獨立自主的技術(shù)卡法路線。這是我們的中試基地,一共1400平米,已經(jīng)開發(fā)了第一代中試產(chǎn)品,目前正在開發(fā)第二代,預(yù)計下半年可以開始放大生產(chǎn)線的建設(shè)。
儲能的應(yīng)用場景多元。因此沒有任何一種技術(shù)能把所有的儲能問題解決。鋰漿料電池是典型的容量型電池,不適合在高倍率下運用,所以高功率儲能場景需要其他一些新的技術(shù)開發(fā)好應(yīng)用,比如高電壓電池。
總結(jié),第一,以需求為導(dǎo)向,要根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域的實際需求發(fā)展相適應(yīng)的儲能技術(shù),低成本、長壽命、高安全、易回收是儲能電池技術(shù)發(fā)展的總體目標(biāo)。第二,未來需要創(chuàng)新,而且不僅僅是材料創(chuàng)新,還包括結(jié)構(gòu)技術(shù)、制造技術(shù)、修復(fù)技術(shù)、回收技術(shù),以及應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新,有很多的研發(fā)工作要做。第三,盡管有各種各樣的新型技術(shù)在實驗室出現(xiàn),在實際應(yīng)用中,最近五年,針對不同儲能應(yīng)用場景進(jìn)行創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計的專門的大容量,大功率的儲能鋰電池將得到最廣泛的應(yīng)用。儲能從促進(jìn)可再生能源消納到降低可再生能源利用成本,任重道遠(yuǎn),還有很長的路要走。