鉅大LARGE | 點擊量:1595次 | 2019年10月29日
華中科技大學謝佳:磷酸鐵鋰最有望滿足規模化儲能應用要求
“鋰電池由于產業化基礎較好,且具有明顯的成本優勢,是眾多儲能技術中最具工業化推廣前景的技術之一。而就鋰電池材料的結構和組成來看,磷酸鐵鋰材料具有安全、長壽命和低成本的優勢,因此磷酸鐵鋰電池體系在經濟性和安全性上最有望滿足規模化儲能應用的要求。”
——華中科技大學謝佳教授
2019年9月25日第二屆中國儲能西部論壇在青海舉辦。本次會議由中國能源研究會儲能專委會,青海大學,黃河上游水電開發有限責任公司,國網青海省電力公司,青海能高新能源有限公司,華能清潔能源技術研究院,中關村產業技術聯盟聯合會,中關村海東科技園等聯合主辦,青海省清潔能源高效利用重點實驗室、中關村儲能產業技術聯盟承辦。北極星儲能網對論壇進行全程直播。
華中科技大學謝佳教授在論壇做了題為“低成本長壽命磷酸鐵鋰儲能系統”的報告。
華中科技大學謝佳教授:
尊敬的史局長,尊敬的各位專家,領導,非常高興今天有機會來到這里,特別感謝組委會,特別是梅生偉老師的邀請,剛才大家已經聽到了非常精彩的梅老師的壓縮空氣儲能,以及對微電網的系統的工作。我今天的報告給大家介紹一下電化學儲能技術中的磷酸鐵鋰電池系統,相信大家對這個體系也非常熟悉。
我的本科和博士都是學化學的,畢業后現在工業界工作了7年,在2015年獲得國家人才計劃支持,回到學校,加入了華中科技大學電氣與電子工程學院。我們課題組主要做兩大方面的工作。一個方面,是延續我工業界的工作,因為我以前一直做磷酸鐵鋰材料和電池。回到學術界的第一件事,就是如何推廣磷酸鐵鋰儲能系統在規模化儲能中的應用。另一方面,則是開展基礎研究,主要是圍繞高比能、低成本和高安全的特性,開發新型的電化學儲能材料和器件,主要包括基于成本低廉的天然高分子的儲能材料和器件,高比能鋰硫電池,在追求高比能的同時,一定不能忘了安全特性,因此我們開發一些固態電池的關鍵材料和技術。感興趣的朋友可以到我們課題組的網站去查詢最新的進展。
我的報告包括三個部分:首先簡單介紹一下華科電氣學院的儲能團隊,其次分析規模化儲能市場的現狀與挑戰,最后介紹磷酸鐵鋰儲能系統的技術和發展思路。我們團隊的負責人是程時杰院士,程院士早在20年前就提出在電力系統發展規模化儲能,我們團隊先后研究了物理儲能和化學儲能在規模化儲能中的應用,團隊的課題組包括了研究儲能本體,儲能系統控制,儲能系統應用以及在含高比例可再生能源系統中的應用等多個環節。團隊依托華科的電氣學院和強電磁工程與新技術國家重點實驗室,打造了先進電工材料與器件研究中心,主要是面向國家的重大需求開發電工新材料和器件,開展多學科交叉的研究以及應用,儲能技術是其中的重點方向之一。
剛才面向規模化儲能的市場與需求,大家聽到了很多重量級專家的發言和報告。能源是每個人生活不可或缺的。能源在獲取、傳輸與轉化、存儲與利用等多個環節都在不斷的追求低碳化、清潔化和高效化。電能是一種高品位能源,美國工程院的報告指出電能的廣泛應用是人類20世紀最重要的成就。電能的優勢非常明顯,在我們國家能源終端消費中占比越來越高。但傳統電力的問題也不可忽視,電一般是即發即用的,遠距離安全傳輸有一定的挑戰,另外,它的時空分布特性不是很理想,商品的屬性也常常得不到有效的發揮,而儲能技術將為上述的問題提供非常有效的技術支撐。這里列舉了很多可規模化儲能的技術圖表,沒有一種儲能技術能夠涵蓋整個圖。中間我想特別指出的是電化學儲能,所有這些綠色的板塊,它占的比例相當大,而除了功率、能量特性以外,我們還要更多的關注它的壽命,安全,經濟性和運維的方便性。我們國家對儲能的需求更是迫在眉睫。2017年全國用電量已達到6.3萬億度,未來這個數子個還會不斷的增加,而可再生能源的裝機比例超過1/3,高比例可再生能源的供給相當于未來很長一段時間是必須要面對的挑戰,棄風棄光的比例較高,有的地方報導沒有棄風棄光,但實際上火電作出了很大的讓步。用戶側,隨著電動汽車等新型電氣裝備的使用,用戶對用電的便捷、高效、多元要求越來越高,這些都需要儲能技術。而電化學儲能技術由于其靈活高效,高比能、長壽命、低成本的特點,越來越受到關注。發展高安全大容量的規模化電化學儲能技術是未來的重要方向。在電化學儲能技術中心,大家最熟悉也是使用最多的就是鋰離子電池。自90年問世以來,不管在民用,特種都得到了大規模推廣。目前已經發展到大容量,規模化儲能,例如電動汽車,儲能電站等等。鋰電池的產業成熟,成本低廉,最有望滿足規模化儲能的需求。但是目前的鋰電池儲能系統在功能性上絕大部分套用了電動汽車電池系統的設計,在經濟性和功能性上還有很大的提升空間。
此外,去年發生了非常多的儲能電站的火災事故,使大家對儲能的應用產生了一定的擔憂,特別是今年電網側的儲能應用踩了一定的剎車。但我個人還是非常看好鋰電池儲能系統的發展。舉了一個類比,2018年儲能市場與2011年電動汽車的市場形勢非常類似,都是高速發展中發生了大量安全事故,技術路線爭議較大,產品和企業的盈利能力較差,但未來市場的容量和增長空間巨大,目前的技術積累和市場鋪墊必將在未來5-10年獲取巨大的收獲。從技術路線出發,應該注重技術的安全性和經濟性上,是否能滿足大規模儲能的需求,這里會重點介紹一下為什么我這么看好磷酸鐵鋰電池儲能術。
目前大容量的鋰電池中應用最成熟的是三元和磷酸鐵鋰體系。而回到鋰電池的基本原理,主流的鋰離子電池的負極,隔膜和電解液都比較類似,在這種情況下,正極材料的結構和組成,很大程度上決定了電池的特性。首先磷酸鐵鋰材料是橄欖石結構,在充放電前后,結構變化小,壽命長,熱穩定性遠好于其他正極材料。安全性和壽命上磷酸鐵鋰電池是最好的選擇。從組成上看看,磷酸鐵鋰主要是鐵和磷,三元材料含有鎳和鈷,因此規模化推廣,磷酸鐵鋰材料在經濟性也是最好的。從簡單的邏輯出發,如果使用鋰電池儲能,磷酸鐵鋰一定是首選。另外,從安全性角度分析,從我國的電動汽車事故分析發現,采用三元電池體系的占60%,而用磷酸鐵鋰電池的只有11%。韓國三元電池技術非常成熟,但是采用三元電池的儲能電站發生了20多起事故,遠超過中國。就在昨天又有一起起火事故。三元電池目前都還沒有成熟使用在電動大巴上,為什么可以用在規模更大的儲能電站上。所以,采用磷酸鐵鋰的儲能電池路線是從經濟性和安全性層面出發最好的選擇。
盡管如此,就磷酸鐵鋰儲能系統,還需要進一步去提高它的經濟性和安全性。首先我覺得要去提高電極的比能量,因為高比能的電極可以從提高比能量的角度降低成本,另外需要考慮材料的再生利用,降低材料成本。而安全性上主要是從提高電池本征安全性出發。
例如,我們課題組和和美國的馬里蘭大學合作開發的具有低孔彎曲度的直孔電極,這個概念將電極厚度提升了10倍,單位面載量比商業化鋰電池正極提高3倍。另一方面,石墨負極通過預鋰化技術可以直接提高7-10%容量,我們課題組開發的對潮濕空氣的金屬鋰技術就可以作為預鋰化材料使用。通過一個很簡易的方法和廉價的材料,可以快速在金屬鋰表面形成保護膜,不僅有利于鋰的均勻沉積,還大幅度提高對水分的穩定性,在80%濕度的空氣中暴露3個小時后再裝到高比能電池中,仍可以穩定循環。這兩個技術結合,有望使能量密度再提升到30%以上,成本可以下降20%以上,對規模化儲能還是很可觀的。
另外提高電池本征安全性可以從阻斷電池熱失控,阻止電池模組的熱失控擴展以及系統層面的防護預警出發,我相信這些技術結合新型滅火技術能較好的解決規模化儲能系統的安全性問題。此外在電能變化裝置上和電力電子技術上也有很大的提升空間。綜合來看,我們今年通過和產業界的合作,也開展了一些應用和成果轉化的工作。為儲能定制開發了能量密度大于150Wh/kg,長壽命和低成本的磷酸鐵鋰電池和模組。開發的集裝箱式儲能系統價格已經低于1500元/kWh,2年內有望降到1000元/kWh。
總的來說,電化學儲能是儲能技術中的一種,由于產業成熟度高,在規模化儲能市場有較好的應用前景,電力系統因為大規模的可再生能源的接入,也正在經歷“源-網-荷-儲”多層面的結構性變革。我非常看好中國在綜合能源系統上的發展,需要強調的是,我們進入到了能源系統變革的領域,需要完全走自主創新的路線,我們國家是能源消費大國,我相信不久的未來,也必將考我們自己的努力,成為能源創新強國。謝謝大家!