摘要

在各種類型的電化學(xué)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(yīng)用場景，但鈦酸鋰電池的高成本卻不利于規(guī)模化儲能應(yīng)用。

發(fā)展儲能技術(shù)是促進(jìn)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(xué)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(yīng)用場景，但鈦酸鋰電池的高成本卻不利于規(guī)模化儲能應(yīng)用。

對此，中國電力科學(xué)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(yīng)用”項目組。經(jīng)過多年研究，項目組針對儲能應(yīng)用需求，在原有鈦酸鋰電池的基礎(chǔ)上提出了滿足儲能應(yīng)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(fēng)口

儲能被認(rèn)為是新能源的下一個風(fēng)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(fēng)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(xué)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(jìn)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(yīng)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(shè)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(jī)械儲能、電化學(xué)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(xué)儲能技術(shù)具有能量規(guī)模大、選址靈活、響應(yīng)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(jī)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(fù)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(jìn)入電解液穿過隔膜嵌入負(fù)極，正極發(fā)生氧化反應(yīng)，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(fù)極的新型鋰離子電池，突破了石墨作為負(fù)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(yīng)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(fù)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(yīng)，不形成固—液界面鈍化膜，避免了很多副反應(yīng)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(biāo)。”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(dá)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(yīng)變”材料，避免了一般電極材料脫/嵌鋰離子時晶胞體積應(yīng)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(dá)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(qiáng)，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(jìn)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(yīng)用設(shè)計開發(fā)的鈦酸鋰電池。

“鈦酸鋰電池在規(guī)模應(yīng)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(jì)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(yīng)用，需要在現(xiàn)有的電動汽車用鈦酸鋰電池的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)重構(gòu)，包括材料體系、電池設(shè)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(chǔ)之上，以滿足儲能應(yīng)用需求為目標(biāo)，對電動汽車用鈦酸鋰電池技術(shù)進(jìn)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(biāo)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(dá)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(yīng)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(tuán)隊對鈦酸鋰電池進(jìn)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(fù)雜。”

由于納米材料吸水性強(qiáng)，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(tuán)隊決定在納米材料上下工夫，他們經(jīng)過反復(fù)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(chǔ)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(yù)涂層集流體、環(huán)境控制、電池制作工序等環(huán)節(jié)進(jìn)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(tuán)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(tuán)隊將進(jìn)口預(yù)涂層集流體改為自主研發(fā)的預(yù)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(fēng)光儲輸示范工程”項目中得到應(yīng)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。