摘要

在各種類型的電化學儲能技術(shù)中，鈦酸鋰電池具有循環(huán)壽命長、安全性能好等特點，很好的契合了電網(wǎng)儲能的應用場景，但鈦酸鋰電池的高成本卻不利于規(guī)模化儲能應用。

發(fā)展儲能技術(shù)是促進新能源發(fā)電、提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的關(guān)鍵核心技術(shù)之一。在各種類型的電化學儲能技術(shù)中，鈦酸鋰電池具有循環(huán)壽命長、安全性能好等特點，很好的契合了電網(wǎng)儲能的應用場景，但鈦酸鋰電池的高成本卻不利于規(guī)模化儲能應用。

對此，中國電力科學研究院聯(lián)合多家單位，共同組建了“儲能用低成本鈦酸鋰電池研制及系統(tǒng)集成技術(shù)開發(fā)與應用”項目組。經(jīng)過多年研究，項目組針對儲能應用需求，在原有鈦酸鋰電池的基礎上提出了滿足儲能應用需求的鈦酸鋰電池材料體系及生產(chǎn)工藝重構(gòu)原則與技術(shù)方案，研發(fā)出亞微米級鈦酸鋰材料。項目研制的儲能用鈦酸鋰電池保持了長壽命本征特性的同時，成本大幅下降。

新能源的下一個風口

儲能被認為是新能源的下一個風口。作為未來推動新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前瞻性技術(shù)，儲能產(chǎn)業(yè)在新能源并網(wǎng)、新能源汽車、智能電網(wǎng)、微電網(wǎng)、分布式能源系統(tǒng)、家庭儲能系統(tǒng)等方面都將發(fā)揮巨大作用。

“之所以發(fā)展儲能，是因為光伏和風力發(fā)電，是間歇的、不穩(wěn)定的，因此需要儲能系統(tǒng)的配合，才能提供穩(wěn)定可靠的電力。”中國電力科學研究院儲能電池本體研究室主任楊凱表示。

采用大規(guī)模儲能技術(shù)，可促進可再生能源發(fā)展、提高電網(wǎng)安全和穩(wěn)定性、改善供電質(zhì)量、有效緩解用電供需矛盾。

大規(guī)模儲能系統(tǒng)貫穿電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、用的各個環(huán)節(jié)，其應用既能提升傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的性能，也將給電網(wǎng)的規(guī)劃、設計、布局、運行管理以及使用等帶來革命性的變化，從這個意義上講，儲能技術(shù)是具有國家戰(zhàn)略意義的技術(shù)制高點，發(fā)展儲能技術(shù)其實就是“存儲未來”。

鈦酸鋰電池是鋰電池里的“奇葩”

據(jù)了解，儲能技術(shù)主要分為機械儲能、電化學儲能、電磁儲能和相變儲能等。近幾年，以鋰離子電池為代表的電化學儲能技術(shù)具有能量規(guī)模大、選址靈活、響應速度快等特點，符合電力系統(tǒng)技術(shù)需求和智能電網(wǎng)發(fā)展趨勢，被各國研究機構(gòu)作為研究重點，成為發(fā)展最快的電力系統(tǒng)儲能技術(shù)。鋰離子電池是一種“搖椅電池”，正負極由兩種可多次脫嵌鋰的化合物或單質(zhì)組成。充電時，正極材料脫鋰，鋰離子進入電解液穿過隔膜嵌入負極，正極發(fā)生氧化反應，放電時則相反。

鋰離子電池技術(shù)隨著電池電極材料的研究一直處于快速發(fā)展的狀態(tài)，目前已經(jīng)從鈷酸鋰電池拓展到了三元系、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鈦酸鋰等多種電池體系并存。以鈦酸鋰為負極的新型鋰離子電池，突破了石墨作為負極的固有局限性，性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的鋰離子電池，成為最具應用前景的儲能電池之一。為此，楊凱介紹了鈦酸鋰電池能夠脫穎而出的四大優(yōu)點：

安全穩(wěn)定性好。由于鈦酸鋰負極材料嵌鋰電位高，在充電的過程中避免了金屬鋰的生成和析出，又因其平衡電位高于絕大部分電解質(zhì)溶劑的還原電位，不與電解液反應，不形成固—液界面鈍化膜，避免了很多副反應的發(fā)生，從而大大的提高了安全性。“儲能電站和電動汽車一樣，安全穩(wěn)定性是最為重要的指標。”楊凱說。

快充性能優(yōu)異。充電時間太長一直是電動汽車發(fā)展過程中難以跨越的障礙。一般采用慢充的純電動公交車，充電時間至少要4個小時以上，很多純電動乘用車的充電時間更是長達8個小時。而鈦酸鋰電池十分鐘左右即可充滿，較傳統(tǒng)的電池有了質(zhì)的飛躍。

循環(huán)壽命長。與傳統(tǒng)鋰離子電池普遍采用的石墨材料相比，鈦酸鋰材料在充放電嵌脫鋰過程中，骨架結(jié)構(gòu)幾乎不發(fā)生收縮或膨脹，被稱為“零應變”材料，避免了一般電極材料脫/嵌鋰離子時晶胞體積應變而造成的電極結(jié)構(gòu)損壞的問題，因而具有非常優(yōu)異的循環(huán)性能。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)測定，普通磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命平均為4000—6000次，而鈦酸鋰電池的循環(huán)壽命可達25000次以上。

耐寬溫性能良好。一般電動汽車在-10℃時充放電就會出現(xiàn)問題，鈦酸鋰電池耐寬溫性能良好，耐用性強，在-40℃到70℃均可正常充放電，無論是在冰封的北國，還是在炎熱的南方，車輛都不會因電池“休克”而影響工作，消除了用戶的后顧之憂。

正是基于以上這些優(yōu)勢，鈦酸鋰電池成為鋰離子電池技術(shù)發(fā)展征程上一朵耀眼的“奇葩”。

技術(shù)重構(gòu)降低成本

最初的鈦酸鋰電池是以滿足電動汽車動力電池需求而開發(fā)的，雖然國際上先進的鈦酸鋰電池企業(yè)已經(jīng)開始涉足電力儲能領(lǐng)域，但還沒有出現(xiàn)專門為規(guī)模儲能應用設計開發(fā)的鈦酸鋰電池。

“鈦酸鋰電池在規(guī)模應用中面臨的主要問題是成本問題，項目研發(fā)之初，其價格是磷酸鐵鋰電池價格的4—6倍。”楊凱說，鈦酸鋰電池價格居高不下，雖然性能顯著優(yōu)于現(xiàn)有鋰離子電池，但是經(jīng)濟性因素極大的限制了鈦酸鋰電池的市場推廣。

因此，鈦酸鋰電池要實現(xiàn)大規(guī)模儲能應用，需要在現(xiàn)有的電動汽車用鈦酸鋰電池的基礎上進行技術(shù)重構(gòu)，包括材料體系、電池設計、生產(chǎn)工藝等方面的技術(shù)重構(gòu)，在保證鈦酸鋰電池長壽命本征特性的同時，大幅降低成本。

“我們不是平地起高樓，而是在電動汽車用鈦酸鋰電池技術(shù)基礎之上，以滿足儲能應用需求為目標，對電動汽車用鈦酸鋰電池技術(shù)進行了技術(shù)重構(gòu)。”楊凱說。

任何技術(shù)都不可能面面俱到，只需要找到各項技術(shù)指標間的平衡點。

“儲能電池對倍率要求并不太高，放電倍率只需達到5C。”楊凱表示，“儲能電池一般都放在房間里，溫度相對恒定，對溫度適應性的要求也不用太高。”“放棄一些性能，選擇低成本，成為最重要的選擇。”

項目團隊對鈦酸鋰電池進行了成本分析后發(fā)現(xiàn)，這種電池成本高的根源在于材料。“鈦酸鋰電池用的是納米材料，材料合成工藝和電池制備工藝復雜。”

由于納米材料吸水性強，因此，生產(chǎn)環(huán)節(jié)必須要降低環(huán)境濕度，加大對廠房的除濕處理，并增加烘干程序，能耗顯著增加。對此，項目團隊決定在納米材料上下工夫，他們經(jīng)過反復試驗，最終以低成本亞微米鈦酸鋰材料取代納米鈦酸鋰材料，并以此為基礎建立儲能用鈦酸鋰電池材料體系。通過實驗，材料粒徑在0.8微米時，既能保證長壽命的特點，又能降低生產(chǎn)工藝控制的苛刻條件，從而降低成本。同時，還采用在性能、制造工藝、成本方面都具有優(yōu)勢的疊片式軟包裝結(jié)構(gòu)取代環(huán)形結(jié)構(gòu)和圓柱形結(jié)構(gòu)。

“0.8微米是一個平衡值，粒徑再增大些就會影響到電池壽命。”楊凱說。

這是從材料和電池結(jié)構(gòu)的重構(gòu)來降低電池成本，另一方面則針對勻漿、預涂層集流體、環(huán)境控制、電池制作工序等環(huán)節(jié)進行技術(shù)重構(gòu)，降低電池成本。

“以前在電極材料的勻漿環(huán)節(jié)中，常規(guī)的攪拌工藝是先加溶劑，再烘干，能耗很高。研發(fā)團隊將這道工藝改為高粘度攪拌工藝，減少溶劑使用量。”楊凱說。

在電極制作環(huán)節(jié)，項目團隊將進口預涂層集流體改為自主研發(fā)的預涂層集流體；在電池制作工序上，取消了涂布前卷料烘干和注液前電芯烘干兩個烘干工序。在電池制作的環(huán)境控制環(huán)節(jié)，將環(huán)境濕度由10%放寬到30%。“納米材料一般濕度要控制在10%以下，磷酸鐵鋰則為30%，我們用亞微米材料在30%的濕度環(huán)境下制作電池，發(fā)現(xiàn)電池壽命幾乎沒受影響。”楊凱說，“經(jīng)過測試，鈦酸鋰電池的循環(huán)壽命超過16000次，電池成本下降了30％。”

據(jù)了解，該項目的相關(guān)研究成果除了在“國家風光儲輸示范工程”項目中得到應用外，對于在北京—張家口舉辦的2022年冬奧會以及北京電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也將發(fā)揮重要作用。