摘要

在各種類型的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中，鈦酸鋰電池具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性能好等特點(diǎn)，很好的契合了電網(wǎng)儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景，但鈦酸鋰電池的高成本卻不利于規(guī)?；瘍?chǔ)能應(yīng)用。

發(fā)展儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)中，鈦酸鋰電池具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性能好等特點(diǎn)，很好的契合了電網(wǎng)儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景，但鈦酸鋰電池的高成本卻不利于規(guī)?；瘍?chǔ)能應(yīng)用。

對(duì)此，中國(guó)電力科學(xué)研究院聯(lián)合多家單位，共同組建了“儲(chǔ)能用低成本鈦酸鋰電池研制及系統(tǒng)集成技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用”項(xiàng)目組。經(jīng)過(guò)多年研究，項(xiàng)目組針對(duì)儲(chǔ)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(chǔ)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(jí)鈦酸鋰材料。項(xiàng)目研制的儲(chǔ)能用鈦酸鋰電池保持了長(zhǎng)壽命本征特性的同時(shí)，成本大幅下降。

新能源的下一個(gè)風(fēng)口

儲(chǔ)能被認(rèn)為是新能源的下一個(gè)風(fēng)口。作為未來(lái)推動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前瞻性技術(shù)，儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)等方面都將發(fā)揮巨大作用。

“之所以發(fā)展儲(chǔ)能，是因?yàn)楣夥惋L(fēng)力發(fā)電，是間歇的、不穩(wěn)定的，因此需要儲(chǔ)能系統(tǒng)的配合，才能提供穩(wěn)定可靠的電力。”中國(guó)電力科學(xué)研究院儲(chǔ)能電池本體研究室主任楊凱表示。

采用大規(guī)模儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)貫穿電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、用的各個(gè)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(jì)、布局、運(yùn)行管理以及使用等帶來(lái)革命性的變化，從這個(gè)意義上講，儲(chǔ)能技術(shù)是具有國(guó)家戰(zhàn)略意義的技術(shù)制高點(diǎn)，發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)其實(shí)就是“存儲(chǔ)未來(lái)”。

鈦酸鋰電池是鋰電池里的“奇葩”

據(jù)了解，儲(chǔ)能技術(shù)主要分為機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能和相變儲(chǔ)能等。近幾年，以鋰離子電池為代表的電化學(xué)儲(chǔ)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(diǎn)，符合電力系統(tǒng)技術(shù)需求和智能電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)，被各國(guó)研究機(jī)構(gòu)作為研究重點(diǎn)，成為發(fā)展最快的電力系統(tǒng)儲(chǔ)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(shí)，正極材料脫鋰，鋰離子進(jìn)入電解液穿過(guò)隔膜嵌入負(fù)極，正極發(fā)生氧化反應(yīng)，放電時(shí)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(chǔ)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(diǎn)：

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(guò)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?！皟?chǔ)能電站和電動(dòng)汽車一樣，安全穩(wěn)定性是最為重要的指標(biāo)。”楊凱說(shuō)。

快充性能優(yōu)異。充電時(shí)間太長(zhǎng)一直是電動(dòng)汽車發(fā)展過(guò)程中難以跨越的障礙。一般采用慢充的純電動(dòng)公交車，充電時(shí)間至少要4個(gè)小時(shí)以上，很多純電動(dòng)乘用車的充電時(shí)間更是長(zhǎng)達(dá)8個(gè)小時(shí)。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(zhǎng)。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(guò)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(shí)晶胞體積應(yīng)變而造成的電極結(jié)構(gòu)損壞的問(wèn)題，因而具有非常優(yōu)異的循環(huán)性能。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)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(dòng)汽車在-10℃時(shí)充放電就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)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(wú)論是在冰封的北國(guó)，還是在炎熱的南方，車輛都不會(huì)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(shì)，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(dòng)汽車動(dòng)力電池需求而開(kāi)發(fā)的，雖然國(guó)際上先進(jìn)的鈦酸鋰電池企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始涉足電力儲(chǔ)能領(lǐng)域，但還沒(méi)有出現(xiàn)專門(mén)為規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用設(shè)計(jì)開(kāi)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(wèn)題是成本問(wèn)題，項(xiàng)目研發(fā)之初，其價(jià)格是磷酸鐵鋰電池價(jià)格的4—6倍?！睏顒P說(shuō)，鈦酸鋰電池價(jià)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(chǎng)推廣。

因此，鈦酸鋰電池要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用，需要在現(xiàn)有的電動(dòng)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(jì)、生產(chǎn)工藝等方面的技術(shù)重構(gòu)，在保證鈦酸鋰電池長(zhǎng)壽命本征特性的同時(shí)，大幅降低成本。

“我們不是平地起高樓，而是在電動(dòng)汽車用鈦酸鋰電池技術(shù)基礎(chǔ)之上，以滿足儲(chǔ)能應(yīng)用需求為目標(biāo)，對(duì)電動(dòng)汽車用鈦酸鋰電池技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)重構(gòu)?！睏顒P說(shuō)。

任何技術(shù)都不可能面面俱到，只需要找到各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)間的平衡點(diǎn)。

“儲(chǔ)能電池對(duì)倍率要求并不太高，放電倍率只需達(dá)到5C?！睏顒P表示，“儲(chǔ)能電池一般都放在房間里，溫度相對(duì)恒定，對(duì)溫度適應(yīng)性的要求也不用太高?！薄胺艞壱恍┬阅埽x擇低成本，成為最重要的選擇?！?/p>

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)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?！扳佀徜囯姵赜玫氖羌{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(duì)廠房的除濕處理，并增加烘干程序，能耗顯著增加。對(duì)此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)決定在納米材料上下工夫，他們經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，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(chǔ)能用鈦酸鋰電池材料體系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，材料粒徑在0.8微米時(shí)，既能保證長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，又能降低生產(chǎn)工藝控制的苛刻條件，從而降低成本。同時(shí)，還采用在性能、制造工藝、成本方面都具有優(yōu)勢(shì)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(gè)平衡值，粒徑再增大些就會(huì)影響到電池壽命?！睏顒P說(shuō)。

這是從材料和電池結(jié)構(gòu)的重構(gòu)來(lái)降低電池成本，另一方面則針對(duì)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(duì)將這道工藝改為高粘度攪拌工藝，減少溶劑使用量?！睏顒P說(shuō)。

在電極制作環(huán)節(jié)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)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(gè)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(méi)受影響。”楊凱說(shuō)，“經(jīng)過(guò)測(cè)試，鈦酸鋰電池的循環(huán)壽命超過(guò)16000次，電池成本下降了30％?！?/p>

據(jù)了解，該項(xiàng)目的相關(guān)研究成果除了在“國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程”項(xiàng)目中得到應(yīng)用外，對(duì)于在北京—張家口舉辦的2022年冬奧會(huì)以及北京電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也將發(fā)揮重要作用。