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谢墨:钛酸锂电池在微电网优化配置中的应用

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2019-08-14 浏览:
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中国储能网讯:8月9—10日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司、西安北大科技园、中国科学院电工研究所储能技术组、深圳市科陆电子科技股份有限公司等单位联合主办“第二届全国发电侧储能技术与应用高层研讨会”在陕西西安金磐酒店举行。来自政府主管部门、能源监管部门、行业专家、设计院、新能源发电业主单位、电力公司、系统集成商、项目承包商、投融资机构等单位的260余位嘉宾出席了本次研讨会。  

主办方邀请到银隆新能源股份有限公司电池营销总经理谢墨就“钛酸锂电池在微电网优化配置中的应用”做主题报告,以下为其报告主要内容。

谢墨

非常感谢组委会给我这个机会,让我们探讨一下钛酸锂电池在微网上的应用。本来PPT中放了很多内容,但见到今天很多专家比我们要专业,所以我会跳过很多关于电力电子安全方面的内容(我们不熟悉的领域),直接进入到我们比较了解的领域,谢谢。

电力安全、供电可靠性、改善电能质量,大家讲的非常仔细,我直接略过。我跳到这个PPT的位置,从电池开始讲。铅酸电池、磷酸铁锂和各种锂电池都列在这里,先讲铅酸,它的优缺点比较明显,其成本和耐用性是非常好的,为什么退出市场?受制于出现了磷酸铁锂,磷酸铁锂是1997年美国德州发现的,它的循环不错,早上还有一位专家提到过,有几千次。这里解释一下:国标要求的循环寿命是百分之百SOC,国内常见水平是3000次而已,有人说做到5000次到8000次是没有满充满放的数据。其次,它的安全性能还是不错的。因为是橄榄石的结构正极,热失效的温度比较高。材料环保和资源丰富是真正有能力挑战铅酸的地方,没有重金属,它的负极是石墨,正极是铁、锂、磷。它的缺陷主要是倍率性能一般,材料的压实密度低,所需体积大。导电性能差,低温度性能也一般。

讲到这个地方的时候,我要离一下PPT的主题。有两位专家提到的两个问题,我发表一下我自己的看法。其中有一个关于锂电池不同电压下的安全性,我这里补充一点点,电池电压确实跟它的安全有一定的相关性,一般情况下满载荷的电压要危险一些,因为电池高电压情况下负极镶嵌大量的单质锂,所以满电的锂电池比亏电的电池要危险。

会议现场

另外一个是安全性的问题,关于燃烧的问题,燃烧时候锂离子电池存在不好扑灭的位置,我并不是反对用细水的方式,但锂电池燃烧是属于金属燃烧,锂离子是碱性金属,用小水量的水扑灭并不算是非常理想的方式,可能隔绝空气是非常重要的,降温也重要,只是这两者不好同时实现。

这一次主要讲钛酸锂电池,全世界做钛酸锂电池的厂商并不多,为什么在这个会议上谈钛酸锂电池,根本原因在于磷酸铁锂我们这不是顶级专家,虽然我们自己能做,但是有很多厂商做的不错,而且比较好。钛酸锂电池我们自认为稍微多一点,我们才敢上台讲一讲。

钛酸锂并不是用来替代磷酸铁锂和三元,它是负极材料,左侧图片可以看到其结构是3D结构尖晶石结构,纳米级,体积变化率低。于是它有一个特点,满充甚至过充状态下没有堆积活性锂,在满负荷状态下最安全的(锂电)是钛酸锂。

在这里讲一下钛酸锂电池的特点,循环寿命长,倍率比较高。我们这边还有一个特点,安全性能非常棒,微网很多时候是在很恶劣环境下进行工作,不安全,是很麻烦的。

而且钛酸锂电池低温充电非常不错,注意,是充,不只是放。

高倍率性能,钛酸锂电池可以很轻松使用到5C到10C的充电,只要线缆足够粗,供放电系统功率足够大,可以在5、6分钟把一组电池充满。虽然受限于结构,有些电池系统没有能达到这么高(5~10C),但是不是电芯的问题,是个系统问题。磷酸铁锂效果也可以,做到一C充到2C放,经过特殊设定的磷酸铁锂做到3C放。实际应用,一般只是1C充放。

微网有一个特点,微网一般是离网,负荷环境很多样,有些还挺特殊。比如有一些边缘的渔村和海岛,以及高寒哨所微网供电等等。能量来源模式也很多,有时候使用风力、有时候使用光电、也有用柴油机的。因为其供应方式多种多样,比如使用风电时,充电就不会很稳定,往往可能需要电池在瞬间承担较大的电流。当然这个只是骤然增大的电流,并不是时时刻刻都大。除了充电,还有放电,比如一些特殊的工业负荷,瞬间几分钟把这个电用完。

注意这里,这是一个成熟案例,是3兆瓦的储能系统,选择配1兆瓦电池,寿命也比较长,系统寿命在25年。和刚刚几位同行的配法是不一样的,同行们大都是1MW配2M、3MWh的电池,LTO是反过来的。

钛酸锂电池循环寿命长,迄今为止,商业化的二次电池中,没有比这种钛酸锂更长的,我们的电池循环达到27000次,还有84%的容量。这两块电池还在试验室里面,做了快4年了。有一些专家问,LTO这几十年寿命是不是真的?我们要强调,这是电化学寿命。磷酸铁锂电池也不错,做到两三千次。

为什么微网特别有用处?偏远山区,比如西藏和内蒙古很偏远的地方维修不太方便,在关键时候掉链子这些事情一旦发生会引起灾难性的损失,比如通信中断和信号缺失,对国家安全都是有影响的。长循环寿命在交通不便,或是孤岛、孤峰这种地方都是比较合适的。

从图片可以看到,在很偏远的地方,在沙漠里,岛上和很难去人的地方一般用这种LTO会合适一点。风电和光电对它不构成很大冲击,因为电池耐受力还是足够的。工作温度的范围广,也是有一定意义的,环境比较特别的地区用电池越来越多,因为人口分布越来越平均,在饥寒地区有人类活动越来越多。我们比较保守的看,因为LTO可以在大多数极地环境下进行不需要外装保护的充电,所以暂时这种情况下电池有不容易取代的优势。

安全性能优异,前面领导和专家提的特别多的安全问题。锂离子电池以锂作为活性物质,锂在正、负极之间进行摇摆的时候,负极侧会还会成为单质的状态。只要锂电池带电,那么一旦锂电池电化学结构内部出现了氧、二氧化碳、水任意一种气体。可以说除了氮之外,和所有大气气体都能够发生反应并产热。所以锂电池不安全来自于这里。我们又不可能不让锂电池带电,顶多防一下过充,过充是在座各位特别注意的。一般我们用BMS进行管控,过充只是让负极状态变得更加夸张的突出,并不是唯一的不安全因素来源,锂过多了,但是实际上不刺穿膜,依然是有危险存在的。一般情况下而言,碳基作为负极这种不安全因素是难以避开的,如果用钛酸锂电池作为负极,表面不会成单质的状态,在过高电力下刺穿也没有什么不安全因素,这是钛酸锂电池安全最重要的来源,这是原理上的优势。

电池在高压电网上更是这样的,去年山西那件事情影响比较大,大家应该也都知道一些。我们在山西有一些自己项目在做,微网经常处于比较极端的环境下,电池在极端环境下反复使用后安全性会变得更加糟糕,不受控因素更多。所以安全性能是我们可以推崇的地方。

这个数字大家看一下,觉得有点自相矛盾,就是这两个位置,为什么出现3000、8000两个数据?充放电深度百分之百在3000次,充放电80%是8000次。在这样的情况下,我们算了一下,按照峰谷价差,如果磷酸铁锂不跑大几千次的话,经济账有点算不过来。钛酸锂电池经济账已经算过来了,因为循环比较长,问题是一次投资比较大,往往比价的时候被排除在外。享有国家补贴,特别是重补贴地区就比较舒服了。当然,特别军用这种不在乎一次成本的领域,长期成本来看很低,所以这些领域选择比较多。

主要内容差不多讲完了,最后我在这里支持一下一位专家的论点。储能是否可以使用退役电池?我非常赞同那位专家提的观点,储能电池要求,特别是高压储能电池要求非常高,并不是传说中可以随便找个电池就行。电池难度在哪?在一致性上。电池一致性对串并影响很大,一致性差,串并后电压就差太多。我们的经验,电压高,电池就会更难做,电压低的就会更容易。这是大概的,不是绝对的。一个车载系统往往只有600伏左右,有的只有100多伏,300多伏,大巴车上往往是570多伏,但是在储能上750、1500V,甚至有一些大几千伏。这种串并方式不可能是500伏的电池可以满足的。我今天早上听到一位专家提到,说的很对,梯次用在非常低压上,但是不要指望用在正规电网侧的储能,这是我个人的观点,仅供大家参考,谢谢。

关键字:钛酸锂电池 银隆新能源

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