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王振波:储能用锂离子电池关键材料及应用进展

   日期:2018-09-11     来源:中国储能网    浏览:2042    评论:0    
核心提示:9月9日,第二届储能电池技术发展方向研讨会在京召开。本次会议由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会与中国科学院电工研究所
9月9日,第二届储能电池技术发展方向研讨会在京召开。

本次会议由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会与中国科学院电工研究所储能技术研究组联合主办,北京好风光储能技术有限公司、浙江南都电源动力股份有限公司、中天储能科技有限公司、长兴太湖能谷科技有限公司及合肥博澳国兴能源技术有限公司等单位联合支持。


哈尔滨工业大学教授出席了本次会议,并发表了题为《储能用锂离子电池关键材料及应用进展》的报告,以下为演讲全文:

王振波:我是来自哈尔滨工业大学的王振波,我今天报告题目是储能锂离子电池关键材料及应用进展,我将从以下五个方面介绍我报告基本情况。对于储能来说大家可能并不陌生,对于储能种类来说,大家可能知道的并不多,我简单说一下。第一种储能方式是抽水储能,其也最成熟,占比最大的一种储能方式,占总的装机容量的96%;其他的如热能储存、机械储能和电池储能的总和才仅仅占4%左右。这是全世界储能基本情况。

这是近十年来全球的电化学储能有总体装机情况统计。电化学储能相对于其他的储能方式来说,在规模和场地上更加灵活,而且适应性更强,并具有更快的响应速度,从2016年开始有一个很大的发展增量,增长非常显著的。从2017年全球新增装机容量来看,前十位的有这样十个国家,美国排第一位的,我们中国是排第五位,而且在一些小的国家,比如荷兰和新西兰有一个很好的表现。在2017年全球储能技术供应商中,我们国家有两个单位,南都电源和比亚迪,韩国有两家,日本有一家。电化学储能领域里包括很多储能器件,如锂离子电池、铅酸蓄电池、镍氢电池、超级电容器、钠硫电池等等,以及今天上午讲的全固态电池,还有一些其他的电化学储能方式,他们在不同的领域,根据他们自己的特点都有一定的表现。从2017年全球的电化学储能累计装机来看,锂离子电池还是一家独大,目前达到59%这样一个比例。从2017年新增的电化学储能容量来看,93%是锂离子电池,7%左右是铅酸,其他的非常少。目前大家都知道锂离子电池成本还是比较高的,技术还不成熟,常常出现这样那样的问题,所以我们认为锂离子电池还是在储能领域处于市场导入期。在2017年全球的一个储能锂电池出货量10.4个Gwh,同比增长38%;相信在未来,随着我们国家政策推动作用,以及锂离子电池成本和技术成熟,在储能领域会有更好的表现。

简单介绍一下第二个问题,我们在储能领域的研究,主要做的是镍钴锰523正极材料,对生产做了一些研究,我们也对他进行一个改进研究, 1C倍率放电容量大于157mAh/g。我们也对它进行了一些性能的改进,比如我们对它进行钛等离子掺杂,进而实现倍率性能显著提升。我们工科院校,跟企业合作比较密切的,在和企业合作过程中,把企业生产小颗粒材料和一些大颗粒材料进行一些混配,这样既可以提高材料的倍率性能和能量密度,同时为企业减少了不必要的浪费,提高了企业的效益,这个已经在企业实现了转化。另外我们自己也做了一些工业化的探索,我们自己做的镍钴锰523正极材料,和西安企业做了一些合作,有近190吨的出货,其性能满足动力和储能要求。

镍钴锰622比523高8-15mAh/g,2015年我们对它进行中试,对对其进行改性处理。NCA材料大家都知道,因为比能量相对比较高,所以未来认为是“十三五”期间电动汽车上必用的一种材料,我们对它进行一些研发。对基本制备工艺技术及性能进行了改进研究;另外对它进行一些掺锰酸锂的改性研究。大家都知道特斯拉电动汽车上的电池用的就是这种正极材料。我们国家的电池企业做这种电池的时候受到很多因素影响,目前还没有真正做成质量非常好的NCA电池;因而我们国家选择退而求其次采用镍钴锰811的技术路线,大家也在进行研发。

另一种材料我们做的就是高压镍锰酸锂,这是二元的材料;大家知道钴储量有限、且具有放射性,在下一个五年或者更长一段时间内,应该来说低钴的材料应占主流。我们对这个材料进行详细的的研究。如果这种材料和钛酸锂配的话,可以给出3.2伏电压工作电压,所以单体电池比能量可以达到110瓦时每公斤。我们做了一些工艺上的探索,做成了这种球形的、中空的、多孔的材料,3000次容量保持率为76.2%,这是文献上报道是最好的数据。对于“十四五”来说,另一种材料是我们应该着重关注的,“十四五”期间应该是单体电池能量密度要达到350瓦每公斤,如果再发展的话,富锂锰基材料是我们必须要进行科研公关的。但富锂锰基材料电导率比较低、倍率性能差、循环过程中存在电压衰减。我们在这里做了一些工作,作一些复合,复合后材料容量可以达到304 mAh/g,其首次效率达到91.7%,这个性能是非常不错的。对于锂离子电池来说如果一个材料循环超过300次的话,就有很好的应用前景。目前这种材料我们已经做到了400周循环,容量保持率是87.7%,而且倍率性能也非常不错。

此外其他材料里面我们也做了探索,比如锂(钠)混合电容器。其吸收了两者的优点,但并不完全具备两者全部的优点;我们在这里做了一些工作,想提高它的比能量,我们自制的钛酸钠和钛酸为负极材料,石墨烯为正级材料,做成软包钠离子混合电容器,它的体积能量密度我们做到了15.6瓦时每公斤和120瓦时每公斤的功率密度和能量密度,5000次循环后质量保持率达82.5%。

在钠离子电池材料方面,上午胡老师也介绍了,钠离子电池我们做了一些工作,以工程应用为主,我们制备了磷酸钒钠正极材料,其循环2000次容量保持率为90.2%。储能锂离子电梯电池方面也做了一些工作,我们搞工程的,和企业合作比较多,跟西安瑟福、山东奥冠、浙江天能开展深度合作,在军品、动力、储能等领域做了一下研究工作。这是我们合作开发的磷酸铁锂电池,其额定容量是20AH,适合于对体积不是很敏感的领域。

对这种磷酸铁锂电池的低温和高温也进行研究:零下20度放电不低于常温的75%,55度放电不低于99%。这是两支电池做的四千次的平行性实验,两支电池一致性非常好。这是37Ah三元NMC/C 的单体电池性能,比能量我们做到了220Wh/kg;可以实现3 C充电和8C放电。这是它的低温性能和倍率以及充放电性能,-20℃1C放电比例大于82%,55℃1C放电比例大于102%;5C倍率充电,恒流充电比例为73%;8C倍率放电比例为85%。5C和8C的倍率特性表现也很不错。这是两支NCM/C的电池循环性能曲线,1C满充放2500次容量保持率大于85%。

另外我们也做了一些NCM配钛酸锂的软包电池,大家都认为和钛酸锂配的电池一般都是圆柱,软包电池是比较难做的,要胀气。我们做的能量密度为72瓦时每公斤。我认为这种电池不会是一个大众产品,应该是一个小众产品,适合于低温和快速充电放电的时候,非常适合于国家一些特殊的在低温条件下的环境,另外对于体积不敏感的领域也是很好的应用。

这种电池零下四十度放电容量大于常温的62%。我记得有些企业宣传的是零下40度70%,我们没有做到这个程度,零下四十多度我们国家在北部能有这个温度,其他也没有,所以我们仅仅开发了针对这一个小的领域做了一些这方面工作。我认为做适合市场的产品可能更好一点,对于企业来说做那么多的无用功是没有必要的。对于我们哈尔滨来说,我记得我上学时候零下35度就那么几天,现在连零下30度天气都找不着了,开发零下40度电池到底有没有意义,有多大意义,的确值得我们商榷,我们花钱不讨好,这个事情应该少做为妙。

我们还做了3 C充放电测试,11000次容量保持率大于80%,6C充10C放容量保持率大于81%。对锂离子电池来说我们是工科院校,我们还做了一些电池系统应用示范,下面都是军用电池,大家不要外传。我们军用电池做的小一点的几个安时电池包,有异型电池,大一点的几十个安时的,在军口很多地方都有应用。另外我们做的略大一点的有27个安时的,还有更大一点的45安时的,应该有两个千瓦时。做的更大的就是400个安时的,这是我刚刚做完的一款跟企业合作电池,目前在某国家的检测中心正在进行比测。

下一个就是国内的储能市场展望,2016年应该是我们国内电化学储能领域的元年,在这一年也就是“十三五”初期开局之年,电化学储能领域得到了国家政策的大力支持,被纳入“十三五”规划纲要,这是非常了不起的事情。随着国家和地方政策相应出台,我们企业如雨后春笋般都在往储能领域发展。有人更乐观的估计说到“十三五”末期,2020年达到千亿水平,当初我就说有点太乐观了,我想尽管我们国家的政策进行了很多这方面刺激,也实现了爆发式的增长,但是我想这就相当于我们国家在七八十年代的经济增长一样,我们一穷二白,底子薄,增长10%,连续增长几十年增长不了多少,美国人家底子厚,增长百分之二三就很多了,动力电池和储能电池一样的,虽然储能电池增长非常快的,但基础比较薄弱的。从另一个角度来说,可以看到我们国家政策从“十三五”期间终于关注储能领域里,相信未来我国储能领域会有更大的发展空间。

从近12年的国内电化学储能装机来看,2016年是元年,到2018年预计达到560兆瓦时,到2020年复合增长率达到46%。国内市场还是锂离子电池一家独大,之后就是铅酸电池,而2017年我们国家的装机容量来看,铅酸电池相对来说比较少,几乎都是锂离子电池,这与国家大的政策有关系。但是我想随着未来发展,锂离子电池一定是占整个支配地位的一个领域。2017年锂离子电池出货达到5个GWh,预计2018年达到8.21个GWh,2020年达到16.64GWh。我们国家锂离子电池市场为1300多个亿,已经达到世界总市场一半份额了。尽管储能市场有前三年的迅猛增长,但是还没有达到预期的千亿水平,需要大家进一步努力。

2017年国内的储能技术主要供应商有南都等5家,刚才我说了在国际上南都排进了前五,紧随其后的是双登、圣阳、中天科技、三星,还有其他企业也都加入了这个大军,这是一个好事。从整个国内的储能发展来看,电池技术的确需要我们去提高,锂离子电池到成熟期了吗?绝对没有。还需要我们广大同仁进一步努力来提升它的技术水平。项目的运营可能不是非常成熟,需要我们改变模式,我看有一些投资融资的朋友也在场,希望能够在储能领域有一些投入,跟我们企业一起投入一些,但马上就要见效益,相对比较难的。希望投资商能在锂电储能行业和我们真正做长久夫妻,使锂电储能这个行业健康的茁壮成长。

未来我想我们一定要生活在智能电网控制下的智慧城市里,电化学储能是必不可少的,希望大家共同努力,实现电化学储能大发展。21世纪是新能源的世纪,我们坚信:新能源能够使我们生活变的更加美好,谢谢大家。 
 
标签: 王振波

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