【原创】第三代锂离子电池技术:锂离子储能电池

随着风电、光伏发电等新能量物质的出现,以及智能电网技术的发展,人们迫切需要建立大规模储能电站,以迎合峰谷电力调配及波动性较强的新能量物质电力并网的需要。根据人的总称科技水平发揭示状阐发,在5-10年内最有可能实现财产化的大规模储能技术是新型二次电池。今朝可采用的,能够达到MW级功率应用并被广泛研究的电池技术,有钠硫电池、锂离子电池、全钒液流电池、锌溴电池等。思量到操作难易度、环保、使用寿命及成本等要求,今朝最为业界所看好的适合于大规模储能应用的电池技术是全钒液流电池与锂离子电池。这里就选择锂离子储能电池技术,作为我的主要讨论对象。

锂离子电池应用于大规模储能,其优势主要有:(1)重量轻,比能+量高。锂离子电池的比能+量达到200 Wh Kg-1,是铅酸电池的5倍,镍镉/镍氢电池的3倍。⑵可快速充放电。例如磷酸铁锂电池,10分钟内就可以充满到80%的电量。⑶轮回寿命长,充放电效率极高。在实际应用中,测试结果可以达到5000次以上甚至上万次,且充放电效率跨越90%。⑷自放电率低。充满电后放置,锂离子电池每月损失的电能低于5%。(5)事情温度范围宽。可在– 20~60摄氏度下事情,能够满足绝大多数情况前提下的使用,且无需外界供给能+量维持运行(相比较:钠硫电池,需在300~350摄氏度下才能正常运行)。(6)电解质均一,隔离膜为多孔聚乙烯或聚丙烯,结构相对简单,成本相对低价(相比较:全钒液流电池需要全氟磺酸离子交换膜,成本极高;且因为存在钒渗透及溶胀腐蚀等因素,今朝膜的寿命没有办法使电堆达到理论上的20000次轮回)。(7)事情过程触电池内外保持静止,无流动部门(相比较:液流电池单堆亦需轮回泵维持溶液流动,同时需要庞大的温度、流量及流量分配等控制系统)。(8)绿色环保。不存在重金属(如铅酸电池)与剧毒元素(如锌溴电池)。

锂离子电池技术从容量和应用领域上可以划分为三代。

熬头代是单体电芯容量为1Ah左右,应用于便携式电子设备的锂离子电池。自从上世纪90年月初宣布贸易化至今,熬头代锂离子电池迅速风靡全球,在便携式电子设备电源领域独领风骚,前后在镍镉和镍氢电池的传统市场上攻城略地,而今已占压倒性优势。即便是在电动工具领域(如电钻等),镍镉电池的地位也受到了锂离子电池强有力的挑战。美国A123公司近年来新推出了基于磷酸铁锂的锂离子电池电源,便拉开了这场大战的序幕。此外,3G通讯技术的应用与海量多媒体数据的传输,使移动设备向电池提出了更长待机时间、更高输出功率的需要,从而刺激了熬头代锂离子电池的材料革新与技术升级。然而,今朝锂电在手机、笔记本等低端市场已趋于饱和。随着全球手机与笔记本的普及,锂电在这两个市场的规模扩张速率将逐步放缓。特别是在国内,因为投资过热,小规模电芯生产厂家如雨后春笋般大量涌现,惨烈的价格战严重降低了各个厂商的利润率。因为进初级读物槛较低且先期投资规模较小,行业内厂商鱼龙混杂,市场上的产品质量乱七八糟。大量资本集中于生产线的引入与电池的PACK生产,而非材料核心技术的研发。因而大多数企业缺乏核心竞争力,重复建设现象严重,生存情况很坏。今朝,投资已开始向锂电的其它应用领域转移。

第二代是单体容量在50Ah以下,应用于电动交通工具领域(电动脚踏车、电动汽车等)的动力电池。电动汽车早在1881年就已诞生,甚至早于内燃机汽车5年。然而在此后的100多年里,因为其主要由容量低、寿命短的铅酸电池驱动,因此在动力性和操控性上没有办法与以汽油为燃料的的内燃机汽车相对抗。1990年月高比能+量、体积小、重量轻、高倍率性能的锂离子电池出现后,电动汽车才从百年沉睡中苏醒。美、日、德等西方发达国家,很早就开始了电动汽车的研究。通用、福特、日产、丰田、公共、戴姆勒-克莱斯勒等巨头纷纷推出了自己研制的各型电动汽车(包括HEV、BEV、PHEV等不同类型)。放眼国内,随着熬头代锂离子电池在低端市场的饱和倾向愈加较着,大量投资开始转移至动力电池领域。在国家政策的积极引导下,我国锂离子动力电池技术获患上的快速发展。只管现阶段价格较高,锂离子动力电池仍然获患上了市场的高度认可,今朝其在国内电动脚踏车市场的据有率已跨越10%。进入今年五月,国家电网、中石化等实力雄厚的央企先声夺人,在国内开始了充电站的建设,为迎合未来电动汽车的普及举行能量物质供应布局。只管动力电池在关键技术上仍需取患上进一步的突破,多家企业与国内的科研院所已展开了充分互助,并在车展上竞相推出自己的电动汽车产品或观点车,等待接受市场的磨练。

第三代是单体容量在200~500Ah,应用于固定储能设备的储能电池。与前两代电池不同,今朝国内外对锂离子电池在大规模储能领域应用的研究仍处于起步阶段。因为进初级读物槛较高,技术结较为庞大,因此尚未出现在该领域大规模举行贸易化投资的报导。为了解决电力系统在电力生产和消费中出现均衡性问题,以及满足风电、光伏发电等波动性较强的新能量物质电力并网的需要,大规模储能电站呼之欲出。因为具有以上所述的八大优点,锂离子储能电池技术受到了广泛的关注。2008年10月,美国A123公司与AES能储公司互助开发了一套2MW锂离子电池系统,用于电网的缓冲办理。德国EVONIK工业股分公司在今年3月宣布,将联合戴姆勒汽车公司等研发机构共同开发适用于风能和太阳能发电大容量、低成本存储的锂离子电池电站,并先期规划在德国西部的萨尔州制作一个功率为1MW的储能装置。我国厂商也不甘落后:比亚迪公司在深圳龙岗建立了一座1MW(4MWh)储能电站,采用6000节磷酸铁锂电池单体,并测试了逆变器、电池办理系统等一系列组成一套设施。此外,中国电力科学院于2009年对1MW锂离子电池储能系统项目举行了公开招标。比亚迪成功中标,即将开展张北风电场1MW磷酸铁锂电池储能电站的建设。今年五月21日,天津大学与BeiJing天路能量物质有限公司互助研发的400Ah单体锂离子电池,通过了业内专家的技术判定,并已着手开始小批量试生产。从技术发展的轨迹来研判,第三代锂离子储能电池将成为下一个技术革命的突破口,亦将是锂电行业的下一个投资热点,市场潜力巨大,贸易远景极为乐观。此外,大力开展锂离子储能电池技术的研发,不仅符合国家节能减排、发展低碳清洁能量物质的政策要求,而且为保障我国的能量物质安全具有积极重要的战略意义。

从技术角度阐发,锂离子储能电池单元主要由单体电池、电池办理系统、充放电系统、监控保护系统与逆变并网系统等组成。单体电池是整个系统的核心部件,主要由正极、阴极、隔离膜、电解液构成。正极材料是锂离子电池的最重要部门,占整个电池成本的40%,并在一定程度上引领了锂离子电池的发展方向。正极材料的制备专利今朝掌握在美国A123公司、Texas大学、加拿大Phostech公司以及部门日本企业手中,核心技术为国外所垄断,从而带来了锂电厂商高昂的电池制造成本。然而,国内部门厂商与研发机构宣称已拥有了自立常识产权的正极材料制备工艺,为我国突破国外技术壁垒带来了希望。今朝除天津斯特兰等少数几家厂商可以小批量供货外,尚无大规模供给适合储能电站应用的锂离子电池正极材料的生产厂家。阴极材料今朝主要采用的是人工制造石墨与改性的天然石墨,并被广泛应用于便携电子设备的电芯制造。虽则成本低价,但是思量到安全性,石墨却不适合做储能电站电池的阴极。今朝最适合的材料是钛酸锂,并已被日本东芝公司应用于新型锂离子电池的生产,然而国内能够达到稳定、高质量供货的厂家却百里挑一。隔阂材料的质量直接决定了锂离子电池的安全性与轮回寿命,具有举足轻重的地位。遗憾的是,生产隔阂的核心技术为美国Celgard、日本旭化成工业等少数公司所把持,因而价格高昂,占据了锂电池总成本的1/3。虽则国内如新乡格瑞恩、佛塑股分等极少数公司已哄骗自立常识产权的技术生产出国产隔阂,然而因为量产批次稳定性较差,今朝还没有办法获患上市场的充分认可。锂离子电池的电解液主要包括有机溶剂与可溶性锂盐,今朝均已基本实现了国产化。综上所述,材料是锂离子电池技术的核心,而我国的电极及隔阂材料均没有办法实现真正的国产化,每一年因入口国外电极与隔阂成品就需要耗费几亿美元的外汇。因此,开展锂离子电池电极与隔阂材料的研发,对提高我国锂电产品的国际竞争力、填补国内相关领域的空白,具有及其重大的实际意义。随着传统化石能量物质的逐步枯竭,风能、太阳能、生物质能等新能量物质,以及核能、水能等清洁能量物质在人的总称社会能量物质消费的比重将逐渐上升。从以上各类能量物质转变为电能,以及基于电能哄骗的各种技术也相对成熟。因此,按照今朝人的总称社会的科技发展水平预测,在未来的30至50年内,电将是能+量的主要载体。根据我的理解,整个能量物质的哄骗应该是一种"碳-电轮回"的模式,包括能量物质的生产(各种一次能量物质转化为电能)、存储、输送、分配、应用(电能转化为各种需要的能+量形式)。电能的生产与应用过程当中排放的二氧化碳分离存储,或直接被微藻、速生植物等所吸收,并以生物质能的形式固定下来,之后重新进入电能的生产环节。这里需要特别指出的是,锂离子储能电池可以应用在以上轮回链条中的存储与应用环节。在存储环节,可以分为大型都会级储能电站、中型社区级储能基站、小规模漫衍式家用储能单元3个级别的系统;在应用领域,则是以电动轨道列车与工业设备(大型)、电动汽车与脚踏车(中型)、电动工具与便携式电子设备(小规模)3个级别(这里主要思量的是动力电池)。

锂离子储能电池技术的核心是高性能电极材料的研发。从大规模贸易化应用的角度思量,合格的电极材料应达到以下要求:低成本、高安全性、长命命、高产品批次稳定性、高倍率性能、高充放电效率、高可逆容量等。今朝最有前途并被业界所看好的新型材料是磷酸铁锂(LiFePO4;正极材料)与钛酸锂(Li4Ti5O12;阴极材料)。这两种电极材料搭配组成的单体电池输出电压为2.1V,低于传统钴酸锂-石墨体系的3.6V。输出电压的降低,导致电池的能+量密度减小。然而,这对于场所固定的大规模储能电站而言,并非是一个重要的问题。同时,采用此种搭配制成的电池具有相当高的安全性(阴极充放电平台远高于Li,耐过充性能优异)与极其优秀的轮回寿命(上万次)。另外,因为这两种电极材料的放电平台均非常平坦,所以由此二者组成的电池输出电压非常平稳,从而大大减轻了电网调节控制的承担,并且保护了负载电器。当前磷酸铁锂与钛酸锂材料财产化存在的主要技术难点为:电导率低、振实密度小、低温性能欠佳、产品批次稳定性控制较差。详细的解决方案依次为:表面碳包裹、球形化/纳米化、异位离子掺杂、严把原料质量关并提高产品质量控制与工艺水平。

MSN空间完善搬场到新浪博客!