鉅大LARGE | 點擊量：670次 | 2023年05月11日
鋰離子電池應(yīng)用場景和未來發(fā)展技術(shù)探討
儲能技術(shù)包括物理儲能(抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、海水儲能、超導(dǎo)儲能)、化學(xué)儲能(儲氫、儲碳)、電化學(xué)儲能(電池儲能、超級電容儲能)和儲熱蓄冷等四大類型。在各類儲能技術(shù)中，電池儲能是發(fā)展最快、最受關(guān)注的儲能技術(shù)方向。截至2017年底，全球電池儲能項目總計投運(yùn)1210.3MW，累計規(guī)模首次步入GW時代。
一、儲能電池應(yīng)用場景
(1)可再生能源并網(wǎng)
可再生能源發(fā)電的間隙性和易變性，以及滲透率的不斷提高，對現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和調(diào)度提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。近年來，為了盡可能利用更多的可再生能源和提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和效率，各種儲能技術(shù)研究及工程示范項目得以快速發(fā)展。大容量電池儲能技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電、光伏發(fā)電，能夠平滑功率輸出波動，降低其對電力系統(tǒng)的沖擊，提高電站的跟蹤計劃出力的能力，為可再生能源電站的建設(shè)和運(yùn)行供應(yīng)備用能源。
(2)電網(wǎng)輔助服務(wù)
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
電網(wǎng)輔助服務(wù)分為容量型和功率型服務(wù)，容量型服務(wù)如電網(wǎng)調(diào)峰、加載跟隨和黑啟動等，儲能規(guī)模需達(dá)到一定體量，一般1~500MW之間，放電時間大于1小時;功率型服務(wù)如調(diào)頻輔助和電壓支持，要電池在短時間內(nèi)(分鐘級別)有較大的功率或電壓輸出。儲能電池技術(shù)在提高電網(wǎng)調(diào)頻能力方面，可以減小因頻繁切換而造成傳統(tǒng)調(diào)頻電源的損耗;在提升電網(wǎng)調(diào)峰能力方面，根據(jù)電源和負(fù)荷的變化情況，儲能系統(tǒng)可以及時可靠地響應(yīng)調(diào)度指令，并根據(jù)指令改變其出力水平。
(3)電網(wǎng)輸配
儲能電池系統(tǒng)可以改善配電質(zhì)量和可靠性。當(dāng)配網(wǎng)出現(xiàn)故障時，可以作為備用電源持續(xù)為用戶供電;在改善電能質(zhì)量方面，作為系統(tǒng)可控電源對配電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行治理，消除電壓暫降、諧波等問題，同時降低主干網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容投入，節(jié)約擴(kuò)容資金。
(4)分布式及微網(wǎng)
微電網(wǎng)系統(tǒng)要求配備儲能裝置，并要求儲能裝置能夠做到以下幾點：1)在離網(wǎng)且分布式電源無法供電的情況下供應(yīng)短時不間斷供電;2)能夠滿足微網(wǎng)調(diào)峰需求;3)能夠改善微網(wǎng)電能質(zhì)量;4)能夠完成微網(wǎng)系統(tǒng)黑啟動;5)平衡間歇性、波動性電源的輸出，對電負(fù)荷和熱負(fù)荷進(jìn)行有效控制。儲能電池系統(tǒng)具有動態(tài)吸收能量并適時釋放的特點，作為微電網(wǎng)必要的能量緩沖環(huán)節(jié)，它可以改善電能質(zhì)量、穩(wěn)定組網(wǎng)運(yùn)行、優(yōu)化系統(tǒng)配置、保證微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
(5)用戶側(cè)
用戶側(cè)儲能重要包括工商業(yè)削峰填谷及需求側(cè)響應(yīng)。電池結(jié)合電力電子技術(shù)能夠為用戶供應(yīng)可靠的電源，改善電能質(zhì)量;并利用峰谷電價的差價，為用戶節(jié)省開支。
(6)電動汽車VEG模式的供能系統(tǒng)
新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必須與儲能產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展。為了滿足未來電動汽車安全快充的需求，有必要建立類似加油站的分布式能量站，能量站安裝有低成本、長壽命的兆瓦級儲能電池，可從電網(wǎng)充電儲存電量后，給電動汽車快速充電;同時，能量站還能夠與電網(wǎng)互動，用于電力調(diào)峰或調(diào)頻。
二、儲能電池的類型
儲能應(yīng)用場景的復(fù)雜性決定了儲能電池技術(shù)的多元化發(fā)展方向。針對特定場景選擇合適的儲能電池技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用將是未來很長時間內(nèi)儲能市場的主旋律，未來新型儲能電池技術(shù)的研發(fā)方向也應(yīng)遵循這一規(guī)律，針對特定場景放大其優(yōu)點以獲得未來商業(yè)化應(yīng)用的可能。
表征儲能電池的性能有許多特點參數(shù)，其中最為重要的是電池的功率特性和容量特性。因此，可以根據(jù)不同儲能應(yīng)用場景關(guān)于電池功率容量比值(W：Wh，簡稱C)的不同要求，大致將儲能電池分為三種類型：容量型(0.5C)、能量型(≈1C)和功率型(2C)。比值越大，代表電池的功率密度越高，但容量密度會低一些，單位容量的價格會更高些。
例如，電力調(diào)峰、離網(wǎng)型光伏儲能或用戶側(cè)的峰谷價差儲能，一般要儲能電池持續(xù)充電或持續(xù)放電兩個小時以上，因此適合容量型電池的應(yīng)用;關(guān)于電力調(diào)頻或平滑可再生能源波動的儲能場景，則要儲能電池在秒級至分鐘級的時間段快速充放電，所以比較適合功率型電池的應(yīng)用;而在一些同時要承擔(dān)調(diào)頻和調(diào)峰的應(yīng)用場景，能量型電池會更適合些，當(dāng)然，這種場景下也可以將功率型與容量型電池配合一起使用。
在目前各類儲能電池中，液流電池和鋰漿料電池屬于典型的容量型電池，鋰離子電池中的鈦酸鋰離子電池則是一類典型的功率型電池，這是由上述電池的本質(zhì)屬性決定的，難以改變。其它種類的電池，可以通過更改電池材料和工藝，進(jìn)行某種程度的屬性調(diào)整，以適應(yīng)不同的儲能應(yīng)用場景。
三、儲能電池的技術(shù)內(nèi)涵
未來針對電力調(diào)峰儲能的大容量電池和電力調(diào)頻儲能的大功率電池還有待技術(shù)的創(chuàng)新突破。儲能電池技術(shù)內(nèi)容重要包括六個方面：材料技術(shù)、結(jié)構(gòu)技術(shù)、制造技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)、修復(fù)技術(shù)和回收技術(shù)。
(1)材料技術(shù)
電池核心材料包括正極材料、負(fù)極材料和電解質(zhì)材料，附屬材料還包括隔膜、集流體和電池殼體材料等。在過去的三十年里，鋰離子電池材料的研發(fā)重要集中在提升材料的能量密度、循環(huán)壽命和安全性能，開發(fā)低成本的材料制備技術(shù);液流電池材料的研發(fā)重要集中在電解液和隔膜材料的改性。2006年鉛酸電池領(lǐng)域開始了負(fù)極鉛膏中碳材料添加劑的選擇與改性，以發(fā)展儲能用長壽命鉛炭電池。
縱觀儲能電池技術(shù)的研究歷史，雖然材料的進(jìn)步能夠帶來電池性能的顯著改善，但能夠有實際效果的材料創(chuàng)新進(jìn)程其實非常緩慢。尤其是實驗室論文報道的材料性能，并不等同于實際電池的性能，兩者之間往往有相當(dāng)?shù)牟罹?。因此電池材料雖然很關(guān)鍵，但并不是電池技術(shù)研究的全部。目前儲能領(lǐng)域技術(shù)工程類項目的立項過于看重了實驗室的材料論文研究工作，忽視了與實際應(yīng)用場景的對接，造成了科研工作與產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求之間較大的脫節(jié)，應(yīng)予以足夠重視。
(2)結(jié)構(gòu)技術(shù)
并非所有的電池都可以稱為儲能電池，系統(tǒng)功率在1KW量級以上的，可以稱為儲能電池;系統(tǒng)功率1MW，用于儲能電站的電池稱為電力儲能電池。
儲能電池結(jié)構(gòu)技術(shù)包括電池單體內(nèi)部結(jié)構(gòu)技術(shù)和外部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)。與小型的消費類電子產(chǎn)品用電池不同，儲能電池的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，具有系統(tǒng)串并聯(lián)的要求和大功率大容量的特點。
現(xiàn)有儲能和動力鋰離子電池是由手機(jī)電池等微小型鋰離子電池發(fā)展而來的，無論是圓柱型還是方型電池，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，所有類型的鋰離子電池內(nèi)部采用的都是粘接的薄膜電極結(jié)構(gòu)，這給儲能用鋰離子電池性能一致性的設(shè)計帶來了根本性的結(jié)構(gòu)難題。另外，當(dāng)電池報廢回收時，只能把粘接電極全部粉碎，內(nèi)部破碎的鋁箔、銅箔材料以及Co、Li元素等要重新用冶金方式回收，導(dǎo)致回收成本高，并存在酸堿廢液污染處理的風(fēng)險。因此，儲能用鋰離子電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計有必要借鑒融合鉛酸電池、液流電池等大型電池的結(jié)構(gòu)思路，由容易出問題的嬌小富貴轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩煽康纳荡蟊看?，從而適合大電流大功率的儲能應(yīng)用場景。
未來大型儲能電池的研發(fā)還要考慮電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部結(jié)構(gòu)的融合設(shè)計。關(guān)于電力儲能而言，應(yīng)用端客戶關(guān)心的是系統(tǒng)成本、系統(tǒng)效率、系統(tǒng)壽命和系統(tǒng)安全性，而不關(guān)心單體電池的能量密度或單體電池的循環(huán)壽命。因此，作為電池技術(shù)研發(fā)端，應(yīng)主動考慮單體內(nèi)部與系統(tǒng)外部結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新融合，通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)的顛覆設(shè)計，減輕外部系統(tǒng)面對的成本和安全性壓力。這將是未來儲能電池結(jié)構(gòu)技術(shù)研究的一個重要方向。
(3)制造技術(shù)
儲能電池制造技術(shù)與電池結(jié)構(gòu)設(shè)計密切相關(guān)。儲能電池系統(tǒng)的串并聯(lián)特性要求電池必須具備較好的一致性，因此生產(chǎn)工藝的智能管控尤為重要。如何用低成本的裝備和工藝制造高性能的儲能電池?這是一個矛盾問題，也是目前儲能電池制造技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵問題。
現(xiàn)有的鋰離子電池生產(chǎn)工藝是從過去磁帶制造工藝過渡而來的，以適應(yīng)電池薄膜涂覆極片的精度要求，加之電池產(chǎn)品型號五花八門，缺乏規(guī)范，導(dǎo)致了電池生產(chǎn)過程的材料利用率低、產(chǎn)品合格率低、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率低、制造成本高。因此，未來要結(jié)合電池結(jié)構(gòu)的顛覆設(shè)計，從根本上降低儲能電池生產(chǎn)工藝的復(fù)雜度和生產(chǎn)設(shè)備的參數(shù)要求，同時推進(jìn)大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與儲能電池生產(chǎn)設(shè)備和制造工藝的融合發(fā)展，通過智能制造升級，規(guī)范制造工藝標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品終檢效率，降低儲能電池的制造成本。
(4)應(yīng)用技術(shù)
儲能電池應(yīng)用技術(shù)重要指BMS、PCS和EMS。BMS(電池管理系統(tǒng))是電池本體與應(yīng)用端之間的紐帶，重要對象是二次電池，目的是提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過度充電和過度放電。PCS(電池儲能系統(tǒng)能量控制裝置)是與儲能電池組配套，連接于電池組與電網(wǎng)之間，把電網(wǎng)電能存入電池組或?qū)㈦姵亟M能量回饋到電網(wǎng)的系統(tǒng)。EMS(能量管理系統(tǒng))是現(xiàn)代電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)總稱，包括：計算機(jī)、操作系統(tǒng)和EMS支撐系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視、自動發(fā)電控制與計劃、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分析。
目前很多儲能示范項目的落地是由電池生產(chǎn)供應(yīng)商與電網(wǎng)公司直接對接，并且缺乏責(zé)任認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這給后期的系統(tǒng)運(yùn)維和可能的事故認(rèn)定帶來難題。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(yùn)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(yùn)行安全。
(5)修復(fù)技術(shù)
儲能電池的修復(fù)技術(shù)包括電池系統(tǒng)的電氣維修技術(shù)和在線再生技術(shù)。前者包括環(huán)境腐蝕修護(hù)、電氣絕緣老化檢測、電連接檢測、溫度壓力傳感維護(hù)和電池巡檢技術(shù)等，后者是針對新型儲能鋰離子電池提出的新的技術(shù)方向。因為理論上講，除了電池活性顆粒內(nèi)部晶格紊亂問題以及集流體的腐蝕脫落問題，儲能鋰離子電池的其它界面問題都有可能通過在線再生的方式進(jìn)行維護(hù)延壽。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(bǔ)充和更換等方式對電池性能進(jìn)行再激活，延長儲能鋰離子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。
(6)回收技術(shù)
任何電池都有使用壽命的期限。消費類小型電池目前國內(nèi)的使用總量有幾億只，且大多數(shù)體積較小，廢電池利用價值較低，加上使用分散，絕大部分被當(dāng)作生活垃圾處理，存在污染隱患。報廢后的儲能電池不可能像消費類小型電池相同丟棄于環(huán)境中，必須做回收再生處理。
儲能電池的回收技術(shù)包括廢舊電池的更換處理技術(shù)、安全運(yùn)輸技術(shù)、回收處理技術(shù)和資源再利用技術(shù)。目前，鉛酸電池的回收再生技術(shù)比較成熟，但存在不規(guī)范回收環(huán)節(jié)的污染風(fēng)險。鋰離子電池的回收流程和技術(shù)還不成熟，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)儲能鋰離子電池產(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。
四、儲能電池技術(shù)發(fā)展目標(biāo)
儲能的春天已經(jīng)來臨，但產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的夏季還遠(yuǎn)未到來，各類儲能技術(shù)已經(jīng)開展商業(yè)或示范應(yīng)用，在應(yīng)用中展現(xiàn)了儲能的優(yōu)勢，也逐漸暴露了一些問題，尤其是電池儲能技術(shù)，距離低成本、長壽命、高安全、易回收的發(fā)展目標(biāo)還有很長的路要走，有待創(chuàng)新與突破。
(1)低成本
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(使用)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)。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。
三次成本重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，要有創(chuàng)新的回收再生思路，降低電池的三次成本。
儲能電池技術(shù)成本降低可以分為以下四個目標(biāo)階段。當(dāng)前目標(biāo)：開發(fā)非調(diào)峰功能的儲能電池技術(shù)和市場，例如調(diào)頻儲能電池和移動儲能電池;短時間(5-10年)目標(biāo)：低于峰谷電價差的度電成本;中期(10-20年)目標(biāo)：低于火電調(diào)峰和調(diào)度的成本;長期(20-30年)目標(biāo)：低于同時期風(fēng)光發(fā)電的度電成本。
電池儲能輔助AGC調(diào)頻會先于調(diào)峰儲能發(fā)展起來。未來只有當(dāng)儲能電池應(yīng)用成本低于火電調(diào)峰成本后，儲能電池系統(tǒng)才可能作為重要補(bǔ)充得以規(guī)模發(fā)展，并納入到電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)度系統(tǒng)。
(2)長壽命
一般來說，關(guān)于消費類小型電池(如手機(jī)電池)，3至5年的使用壽命足以滿足電子產(chǎn)品的壽命要求，但目前還是希望電池單次充電后的待機(jī)時間能夠更長一些，因此關(guān)于電池的能量密度有著更高的直接的需求。然而關(guān)于電力儲能電池，基本上都要求十年乃至二十年以上的日歷使用壽命。因此，提升儲能電池的日歷使用壽命尤其重要。
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。因為從熱力學(xué)角度來說，電池系統(tǒng)是一個高度非平衡的化學(xué)體系，在漫長的循環(huán)使用歲月中，還存在不可逆的體相和界面的化學(xué)變化，導(dǎo)致電池內(nèi)阻的新增和容量的衰減。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。未來除了要建立相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)以外，還要開發(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。
(3)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。當(dāng)然，固態(tài)電池要規(guī)模應(yīng)用于電力儲能，在降本增壽方面還有相當(dāng)?shù)睦щy要克服。另外，固態(tài)電池的回收處理也是一大難題。
防止電池(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)行儲能鋰離子電池的安全保護(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(yùn)輸和儲能電站的安全運(yùn)行。
(4)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)用面對的最大挑戰(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)用的儲能鋰離子電池系統(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)為報廢鋰離子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。
本文作者了解到的實際情況是，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)有儲能鋰離子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。因此，有必要開展細(xì)致的儲能電池全產(chǎn)業(yè)鏈污染分析和環(huán)保評估，引導(dǎo)儲能電池技術(shù)創(chuàng)新的環(huán)保發(fā)展方向，以促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。
五、結(jié)語
可再生能源+儲能是新能源發(fā)展的必然選擇，而儲能應(yīng)用場景的復(fù)雜性決定了儲能電池技術(shù)的多元化發(fā)展方向。未來針對電力調(diào)峰儲能的大容量電池和電力調(diào)頻儲能的大功率電池還有待技術(shù)的創(chuàng)新突破。儲能電池包括六大技術(shù)內(nèi)涵：材料技術(shù)、結(jié)構(gòu)技術(shù)、制造技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)、修復(fù)技術(shù)和回收技術(shù)。其中，電池材料是基礎(chǔ)，但不是儲能電池技術(shù)研究的全部。建議以后基礎(chǔ)探索類項目可以偏重于新材料的研究，而技術(shù)工程類項目則應(yīng)重視其它非材料技術(shù)方面的立項突破，在已有商業(yè)及示范儲能電站的相關(guān)經(jīng)驗基礎(chǔ)上，圍繞低成本、長壽命、高安全、易回收的總體目標(biāo)，發(fā)展各類容量型峰谷儲能電池、功率型調(diào)頻儲能電池和能量型復(fù)合儲能電池，與其它類型儲能技術(shù)配合，支撐儲能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。
