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重构钛酸锂电池,“多快好省”存储未来

2018-08-10 来源:中国客车网
  走进位于张北县的国家风光储输示范电站,可以看到在绿色的草原上,一排排高高耸立的白色风力发电机和闪闪发光的蓝色光伏板交相辉映。

  这里是我国最大的风光储输示范工程,采用世界首创的风光储输联合发电建设思路和技术路线,是集风电、光伏、储能装置和智能输电“四位一体”的新能源综合性示范工程。

  这个电站可以将“难预测、难控制、难调度”的风、光资源“储存”起来,并转化为优质可靠的绿色电能输入电网,并能在“平滑波动”和“削峰填谷”运行模式间灵活切换,在失去外部电网供电的情况下,储能电站可通过内部自启动能力,保持电网正常运行。

  发展储能技术是促进新能源发电、提高电网安全稳定性的关键核心技术之一。在各种类型的电化学储能技术中,钛酸锂电池具有循环寿命长、安全性能好等特点,很好的契合了电网储能的应用场景,但钛酸锂电池的高成本却不利于规模化储能应用。

  对此,中国电力科学研究院联合多家单位,共同组建了“储能用低成本钛酸锂电池研制及系统集成技术开发与应用”项目组。经过多年研究,项目组针对储能应用需求,在原有钛酸锂电池的基础上提出了满足储能应用需求的钛酸锂电池材料体系及生产工艺重构原则与技术方案,研发出亚微米级钛酸锂材料。项目研制的储能用钛酸锂电池保持了长寿命本征特性的同时,成本大幅下降。在2017年北京市科学技术奖评选中,该项目获得二等奖。

  新能源的下一个风口

  储能被认为是新能源的下一个风口。作为未来推动新能源产业发展的前瞻性技术,储能产业在新能源并网、新能源汽车、智能电网、微电网、分布式能源系统、家庭储能系统等方面都将发挥巨大作用。

  “之所以发展储能,是因为光伏和风力发电,是间歇的、不稳定的,因此需要储能系统的配合,才能提供稳定可靠的电力。”中国电力科学研究院储能电池本体研究室主任杨凯告诉记者。

  采用大规模储能技术,可促进可再生能源发展、提高电网安全和稳定性、改善供电质量、有效缓解用电供需矛盾。

  大规模储能系统贯穿电力系统发、输、配、用的各个环节,其应用既能提升传统电力系统的性能,也将给电网的规划、设计、布局、运行管理以及使用等带来革命性的变化,从这个意义上讲,储能技术是具有国家战略意义的技术制高点,发展储能技术其实就是“存储未来”。

  锂离子电池里的一朵“奇葩”

  据了解,储能技术主要分为机械储能、电化学储能、电磁储能和相变储能等。近几年,以锂离子电池为代表的电化学储能技术具有能量规模大、选址灵活、响应速度快等特点,符合电力系统技术需求和智能电网发展趋势,被各国研究机构作为研究重点,成为发展最快的电力系统储能技术。锂离子电池是一种“摇椅电池”,正负极由两种可多次脱嵌锂的化合物或单质组成。充电时,正极材料脱锂,锂离子进入电解液穿过隔膜嵌入负极,正极发生氧化反应,放电时则相反。

  锂离子电池技术随着电池电极材料的研究一直处于快速发展的状态,目前已经从钴酸锂电池拓展到了三元系、锰酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂等多种电池体系并存。以钛酸锂为负极的新型锂离子电池,突破了石墨作为负极的固有局限性,性能显著优于传统的锂离子电池,成为最具应用前景的储能电池之一。为此,杨凯向记者介绍了钛酸锂电池能够脱颖而出的四大优点:

  安全稳定性好。由于钛酸锂负极材料嵌锂电位高,在充电的过程中避免了金属锂的生成和析出,又因其平衡电位高于绝大部分电解质溶剂的还原电位,不与电解液反应,不形成固—液界面钝化膜,避免了很多副反应的发生,从而大大的提高了安全性。“储能电站和电动汽车一样,安全稳定性是最为重要的指标。”杨凯说。

  快充性能优异。充电时间太长一直是电动汽车发展过程中难以跨越的障碍。一般采用慢充的纯电动公交车,充电时间至少要4个小时以上,很多纯电动乘用车的充电时间更是长达8个小时。而钛酸锂电池十分钟左右即可充满,较传统的电池有了质的飞跃。

  循环寿命长。与传统锂离子电池普遍采用的石墨材料相比,钛酸锂材料在充放电嵌脱锂过程中,骨架结构几乎不发生收缩或膨胀,被称为“零应变”材料,避免了一般电极材料脱/嵌锂离子时晶胞体积应变而造成的电极结构损坏的问题,因而具有非常优异的循环性能。根据实验数据测定,普通磷酸铁锂电池循环寿命平均为4000—6000次,而钛酸锂电池的循环寿命可达25000次以上。

  耐宽温性能良好。一般电动汽车在-10℃时充放电就会出现问题,钛酸锂电池耐宽温性能良好,耐用性强,在-40℃到70℃均可正常充放电,无论是在冰封的北国,还是在炎热的南方,车辆都不会因电池“休克”而影响工作,消除了用户的后顾之忧。

  正是基于以上这些优势,钛酸锂电池成为锂离子电池技术发展征程上一朵耀眼的“奇葩”。

  技术重构降低成本

  最初的钛酸锂电池是以满足电动汽车动力电池需求而开发的,虽然国际上先进的钛酸锂电池企业已经开始涉足电力储能领域,但还没有出现专门为规模储能应用设计开发的钛酸锂电池。

  “钛酸锂电池在规模应用中面临的主要问题是成本问题,项目研发之初,其价格是磷酸铁锂电池价格的4—6倍。”杨凯说,钛酸锂电池价格居高不下,虽然性能显著优于现有锂离子电池,但是经济性因素极大的限制了钛酸锂电池的市场推广。

  因此,钛酸锂电池要实现大规模储能应用,需要在现有的电动汽车用钛酸锂电池的基础上进行技术重构,包括材料体系、电池设计、生产工艺等方面的技术重构,在保证钛酸锂电池长寿命本征特性的同时,大幅降低成本。

  “我们不是平地起高楼,而是在电动汽车用钛酸锂电池技术基础之上,以满足储能应用需求为目标,对电动汽车用钛酸锂电池技术进行了技术重构。”杨凯说。

  任何技术都不可能面面俱到,只需要找到各项技术指标间的平衡点。

  “储能电池对倍率要求并不太高,放电倍率只需达到5C。”杨凯表示,“储能电池一般都放在房间里,温度相对恒定,对温度适应性的要求也不用太高。”“放弃一些性能,选择低成本,成为最重要的选择。”

  项目团队对钛酸锂电池进行了成本分析后发现,这种电池成本高的根源在于材料。“钛酸锂电池用的是纳米材料,材料合成工艺和电池制备工艺复杂。”

  由于纳米材料吸水性强,因此,生产环节必须要降低环境湿度,加大对厂房的除湿处理,并增加烘干程序,能耗显著增加。对此,项目团队决定在纳米材料上下工夫,他们经过反复试验,最终以低成本亚微米钛酸锂材料取代纳米钛酸锂材料,并以此为基础建立储能用钛酸锂电池材料体系。通过实验,材料粒径在0.8微米时,既能保证长寿命的特点,又能降低生产工艺控制的苛刻条件,从而降低成本。同时,还采用在性能、制造工艺、成本方面都具有优势的叠片式软包装结构取代环形结构和圆柱形结构。

  “0.8微米是一个平衡值,粒径再增大些就会影响到电池寿命。”杨凯说。

  这是从材料和电池结构的重构来降低电池成本,另一方面则针对匀浆、预涂层集流体、环境控制、电池制作工序等环节进行技术重构,降低电池成本。

  “以前在电极材料的匀浆环节中,常规的搅拌工艺是先加溶剂,再烘干,能耗很高。研发团队将这道工艺改为高粘度搅拌工艺,减少溶剂使用量。”杨凯说。

  在电极制作环节,项目团队将进口预涂层集流体改为自主研发的预涂层集流体;在电池制作工序上,取消了涂布前卷料烘干和注液前电芯烘干两个烘干工序。在电池制作的环境控制环节,将环境湿度由10%放宽到30%。“纳米材料一般湿度要控制在10%以下,磷酸铁锂则为30%,我们用亚微米材料在30%的湿度环境下制作电池,发现电池寿命几乎没受影响。”杨凯说,“经过测试,钛酸锂电池的循环寿命超过16000次,电池成本下降了30%。”

  据了解,该项目的相关研究成果除了在“国家风光储输示范工程”项目中得到应用外,对于在北京—张家口举办的2022年冬奥会以及北京电动汽车产业的发展,也将发挥重要作用。

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