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中国科学报:如何培养储能“三好生”?

作者:见习记者 田瑞颖 来源:中国科学报 发布时间:2022-08-04 浏览:

中国储能网讯:近10年,全球发生了30余起电化学储能电站事故,事故电站大多采用三元锂电池。


不久前,国家能源局综合司发布《防止电力生产事故的二十五项重点要求(2022年版)(征求意见稿)》,提出中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池,不宜选用梯次利用动力电池。

对于将这两种电池从该领域“除名”,中国科学院电工研究所研究员、中国化学与物理电源行业协会储能应用分会副秘书长陈永翀认为,安全是首要因素,“电化学储能的规模发展需要‘三好学生’,未来具有‘高安全、低成本和易回收’特性的储能专用电池将会获得大规模应用”。

近年来,韩国储能电站起火事故时有发生。作为韩国主流储能产品,三元锂电池正是引发事故的“头号杀手”。

陈永翀告诉《中国科学报》,目前国外大中型化学储能电站大多使用磷酸铁锂电池和三元锂电池,而国内基本上都使用磷酸铁锂电池。

对于我国明确禁止三元锂电池在该领域的应用,他解释说,三元锂电池热失控温度约200℃,高温下电池内部化学反应更为剧烈,反应过程中会产生氧分子,进而加剧易燃气体的燃烧,甚至可能在极短时间内产生爆燃。

另一个被“除名”的还有钠硫电池。2011年9月21日,日本茨城县的钠硫电池(日本NGK公司制)引发火灾事故。大火连烧两周之久才得以扑灭。自此,钠硫电池的发展也呈断崖式下跌。

中科院物理研究所副研究员陆雅翔告诉《中国科学报》,高温钠硫电池于1968年由美国福特公司发明公布,2003年日本NGK公司实现了高温钠硫电池的商业化。

但钠硫电池只有在300℃左右高温下才能正常运行,一旦陶瓷管破裂短路就会造成剧烈放热反应,可瞬间产生2000℃高温,安全隐患较大。在全球范围内,目前只有日本NGK公司在生产该电池,缺少产业链和规模化效应。

值得注意的是,政策还提出中大型电化学储能电站不宜选用梯次利用动力电池。选用梯次利用动力电池时,应进行一致性筛选并结合溯源数据进行安全评估。

值得注意的是,据光大证券预测,2030年,三元锂电池与磷酸铁锂电池回收将形成千亿元市场。其中,三元锂电池回收市场空间在均价情况下将达600亿元;磷酸铁锂电池的梯次利用和回收市场空间预计达480多亿元。

对于不宜选用梯次利用电池的决定,陈永翀认为主要是退役动力电池存在安全隐患。由于动力电池企业多,技术路线和产品规格不同,导致梯次利用电池的拆解、评估和组装难度较高,且鱼龙混杂,如果进行规模应用容易造成安全事故。

宁波蔚孚科技有限公司董事长、中科院宁波材料技术与工程研究所研究员夏永高向《中国科学报》透露,梯次利用技术的核心要求是保证目标产品的品质和安全,理论上可以通过编码了解退役电池的历史使用情况,但实际上这些数据很难真正得到。

他还指出,退役电池本身就具有不确定性,难以准确评估电池长时间使用后的安全性。

“一些企业将梯次利用电池作为低速车动力电池使用,这也存在一定安全隐患。”夏永高认为,未来梯次利用电池可以在对安全和寿命要求相对较低的小型储能领域应用。

随着三元锂电池在中大型电化学储能电站的禁用,我国锂离子电池市场会迎来动荡吗?

《中国锂电产业发展指数白皮书》指出,我国已连续五年成为全球最大的锂电池消费市场。2021年,全球锂离子电池市场规模达到545吉瓦时,中国锂离子电池市场规模约324吉瓦时,约占全球市场的59.4%。

工业和信息化部发布的数据显示,2021年324吉瓦时的全国锂离子电池产量中,消费、动力、储能型锂电产量分别为72吉瓦时、220吉瓦时、32吉瓦时。锂电总产值突破6000亿元。

就储能领域而言,截至2021 年底,中国储能市场累计装机功率43.44吉瓦,位居全球第一。电化学储能装机功率5117.1 兆瓦,占比11.8%。其中,锂离子电池储能技术装机功率规模占比 91.0%。

进一步聚焦动力电池,磷酸铁锂电池发展势头更为强劲。据中国汽车动力电池产业创新联盟的数据统计,2021年国内动力电池装车量累计154.5吉瓦时,其中磷酸铁锂电池装车量79.8吉瓦时,占比51.7%,超过三元锂电池。

陈永翀说,三元锂电池的发展得益于补贴政策的支持,2017年补贴政策引入能量密度要求后,能量密度更高的三元锂电池成为车企首选。

但随着近年来三元锂电池循环寿命、成本方面的劣势逐渐显现,尤其是多起安全事故的发生,引起了市场对电池安全性的高度重视。

磷酸铁锂的能量密度近年来有所提升。陈永翀认为磷酸铁锂电池占比的提升是市场选择的结果,“这并不是政策主导了市场,而是政策反映了市场发展的趋势”。

虽然磷酸铁锂电池安全性更高,但近年来也出现了一些火灾事故。2021年4月16日,北京市丰台区发生储能电站起火爆炸,事故造成两名消防员牺牲,火灾直接财产损失1660.81万元。半年后,北京市应急管理局官方公布了调查结果,此次起火的直接原因系磷酸铁锂电池发生内短路故障。

因此,陈永翀强调,即使是磷酸铁锂电池也仍然需要在高安全、低成本和易回收方面有新的技术突破。

对于三元锂电池在该领域的禁用是否会影响整个锂离子电池的资本市场,夏永高认为可能性并不大。在他看来,这一政策原本就在业界的共识和预期之内。

对于钠硫电池在我国的发展,陆雅翔则表示,高温钠硫电池目前在我国尚未开展应用,在中大型电化学储能电站领域的禁用,可能会使其研究速度放缓。

在上述电池被“除名”后,哪些电池有望在中大型电化学储能领域崭露头角?

记者采访多位专家后发现,钠离子电池、液流电池、储能专用锂电池等或将脱颖而出。

陆雅翔告诉记者,有机钠离子电池、固态钠离子电池和水系钠离子电池都适用于中大型电化学储能电站。

她解释说,钠离子电池所需的钠资源丰富、成本低,且无过放电特性,安全性能更好。由于中大型电化学储站对电池能量密度要求不高,能量密度偏低的水系钠离子电池也有应用空间。“此外,目前发现钠离子电池的快充性能和宽温适应性也比较好。”

2021年6月,依托中科院物理所成立的国内首家专注于钠离子电池研发与生产的高新技术企业——中科海钠发布全球第一个1兆瓦时(MWh)钠离子电池储能系统。陆雅翔就是这支“电池国家队”的一员。她告诉记者,团队开发的钠离子电池不需要在高温条件下运行,其工作原理和电池组件与锂离子电池相似,可以称为室温钠离子电池。电池的正极材料可选用过渡金属氧化物、聚阴离子类材料、普鲁士蓝类化合物等,而负极材料目前通常选用无定形碳,钠离子就存储在正负极材料中。

钒电池是目前液流电池的典型代表。液流电池储能技术是通过正、负极电解质溶液活性物质发生的可逆氧化还原反应来实现电能和化学能的相互转化,具有输出功率和容量可单独设计、安全性高、寿命长和环境友好等特点。

此外,陆雅翔还提到了水系碱金属/碱土金属离子电池。她指出,水是天然的阻燃剂,水系电池在极端条件或电池热失控条件下都不易发生燃烧或爆炸,符合储能系统对安全性的要求,且具有绿色环保的特点。

回到锂离子电池上,陈永翀认为,基于磷酸铁锂材料的高安全大容量储能专用电池将是国内外电化学储能技术的应用趋势。

陈永翀团队经过多年探索,研发出适合大容量储能的新型锂浆料电池,电池全部或部分电极由浆料态的储锂活性物质、导电剂和电解液构成,并采用复合集流体、超厚电极和半开放电池结构,从而彻底改变锂离子电池的危险品属性。

2019年,新型锂浆料储能电池研究入选国家变革性技术方向之一,目前正在推进示范建设。

“超大容量或超大功率储能专用电池是产业技术的发展方向,未来仍需要综合性的技术突破。”陈永翀说。

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关键字:储能电池

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