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陈永翀:固态电池安全性好 降本增寿及回收难题待解
作者:转自电池百人会  发布时间:2019-2-28  

光伏、风力发电和电化学储能成本的快速下降,使得储能在原来缺乏竞争力的领域也逐渐拥有竞争力,储能的多重价值逐渐被挖掘出来。

2018年,全球新增投运储能项目的装机规模为5.5GW,其中电化学储能的新增投运规模最大,为3.5GW,同比增长288%。2018年,中国新增投运储能项目的装机规模为2.3GW,其中电化学储能的新增投运规模最大,为0.6GW,同比增长414%。

中国科学院电工研究所多学科交叉研究中心储能技术研究组组长/研究员陈永翀表示,各类储能技术已经开展商业或示范应用,在应用中展现了储能的优势,也逐渐暴露了一些问题,尤其是电化学储能技术,距离“低成本、长寿命、高安全、易回收”的发展目标还有相当的差距,有待技术的颠覆性创新和突破。

2月27日,在固态电池技术、智能装备与市场应用研讨会上,陈永翀发表了题为《电池储能问题与发展方向探讨》的主题演讲。陈永翀介绍说,在各类储能技术中,电池储能是发展最快、最受关注的储能技术方向。但是,目前电池储能面临四大问题:成本高、寿命短、安全差、回收难。

陈永翀介绍,表征储能电池的性能有许多特征参数,其中最为重要的是电池的功率特性和容量特性。因此,可以 根据不同储能应用场景对于电池功率容量比值(W:Wh,简称C)的不同要求,大致将储能电池分为 三种类型:容量型(≤0.5C)、能量型(≈1C)和功率型(≥2C)。比值越大,代表电池的功率密 度越高,但容量密度会低一些,单位容量的价格会更高些。

电力调峰、离网型光伏储能或用户侧的峰谷价差储能,一般需要储能电池连续充电或连续放电两个小时以上,因此适合容量型储能电池的应用;对于电力调频或平滑可再生能源波动的储能场景,则需要储能电池在秒级至分钟级的时间段快速充放电,所以比较适合功率型储能电池的应用;而在一些同时需要承担调频和调峰的应用场景,能量型储能电池会更适合些,当然,这种场景下也可以将功率型与容量型电池配合一起使用;在系统因故障而停电时, 又可以快速起到大型不间断电源(UPS)的作用,避免突然停电带来的损失。

陈永翀进一步解释说,现有储能和动力锂电池是由手机电池等微小型电池渐进式发展而来,除了将电池体积变大以外,还没有脱离小型电池粘接涂布薄膜电极结构以及内部极片并联后极耳引出的核心设计思路,这给容量型储能电池的一致性设计造成了根本性的难题。另外,电池制造成本居高不下,使用存在安全隐患,电池报废后的回收处理也非常困难。

陈永翀建议,需要结合电池结构的颠覆设计,从根本上降低储能电池生产工艺的复杂度 和生产设备的参数要求,降低储能电池的制造成本。

固态电池降本增寿及回收是难题

此外,陈永翀强调,储能电池的安全性非常重要。相对而言,水系电池如液流电池、铅酸电池等安全性较好,能够满足储能电站的安全性要求,但也需要严格控制电池的充电截止电压,以防止水溶液过压电解后的析氢爆炸;有机系锂离子电池的安全性问题较为突出,目前总体而言处于安全及格线上下的水平,有待技术突破;固态电池不含易燃的电解液,因此具有极高的安全性,在未来实现量产后有可能会首先应用到高安全要求的某些特殊场景。

在陈永翀看来,避免电池(内部或外部)短路的安全预防技术以及在电池短路发生后的应急维护技术是储能电池安全技术发展的重要方向。仅仅通过外部灭火装置进行储能锂电池的安全保护,是远远不够的,未来必须开发颠覆性的电池结构技术和安全维护技术,从电池内部彻底解决电池的安全问题,确保储能电池的安全运输和储能电站的安全运行。“当然,固态电池要规模应用于电力储能,在降本增寿方面还有相当的困难需要克服。另外,固态电池的回收处理也是一大难题。”陈永翀坦言。

锂浆料电池有望填补铅酸电池和锂离子电池的应用空白区

研讨会上,陈永翀还介绍了锂浆料电池——电池的全部或部分电极是由浆料态的储锂活性物质、导电剂和电解液构成。

锂浆料电池(Lithium Slurry Battery)的技术名称由陈永翀团队在2015年发明专利“一种锂浆料电池反应器,CN 201510164222.1”中第一次正式提出。与传统锂离子电池的固定粘结电极不同,锂浆料电池具有超厚浆料电极和可维护再生两大显著的技术特征。

“锂浆料电池性能优于铅酸,价格低于锂电。”陈永翀表示,浆料态的电极厚度可以达到毫米级的超级厚度,是普通锂离子电池涂布粘接电极厚度的10~50倍,因此更适合提供大容量的储能电力输出。

此外,锂浆料电池可维护再生,当电池使用一段时间性能下降后,通过再生技术修复电池内部界面,重新提升电池活力,达到10年以上日历使用寿命。电池报废后,浆料可以回收处理,通过补充缺失的微量元素,再生后用于新电池生产。

并且,锂浆料电池通过第三方安全测试发现,电池在强行短路后不起火、不爆炸。

电池储能技术将向多元化发展

最后,陈永翀总结说,储能应用场景的复杂性决定了电池储能技术的多元化发展方向。因此必须以需求为导向,根据不同应用领域的实际需求发展相适应的储能技术;同时,低成本、长寿命、高安全、易回收是储能电池技术发展的总体目标。

陈永翀建议应高度重视大型电力储能电池技术的基础创新研究和知识产权布局,有必要彻底脱离原有小型电池的设计思路,开发颠覆性的大型储能电池结构技术,在此基础上结合材料研究,创新开发低成本的制造技术、安全延寿的修复技术和绿色环保的回收技术,以满足不同储能应用场景的需求,支撑储能产业的创新突破发展。

陈永翀还预计,基于锂电池材料体系、针对不同储能应用场景进行创新结构设计的大容量和大功率储能锂电池将得到广泛的应用。(以上内容未经发言者本人审阅,仅供参考。)

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