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中科院李泓:从液态到全固态电池 未来储能技术展望

发布日期:2017-09-04 来源: 中国储能网 查看次数: 334 作者:本站

核心提示:2017年4月24-26日,第七届中国国际储能大会在苏州香格里拉大酒店圆满召开,来自中、美、英、德、澳、日、韩等国家的1400余位嘉宾到场参会。大会共邀请140余位行业专家与企业代表,围绕产业热点话题,发表了一系列精彩演讲,中国储能网将向读者传递本次大会最具价值的声音。大会期间,中国科学院物理研究所研究员李泓,在“电动汽车与动力电池专场”,以《从液态到全固态电池:未来储能技

  2017年4月24-26日,第七届中国国际储能大会在苏州香格里拉大酒店圆满召开,来自中、美、英、德、澳、日、韩等国家的1400余位嘉宾到场参会。大会共邀请140余位行业专家与企业代表,围绕产业热点话题,发表了一系列精彩演讲,中国储能网将向读者传递本次大会最具价值的声音。

  大会期间,中国科学院物理研究所研究员李泓,在“电动汽车与动力电池专场”,以《从液态到全固态电池:未来储能技术展望》为题发表演讲,现将演讲主要内容发布,以飨读者。

  李泓:非常高兴跟大家分享我们的工作,因为我们最近制定国家重点研发计划包括编写意见的时候涉及到储能方面,如果我的理解有偏差欢迎各位同行交流和指正。

  刚才刘彦龙老师的报告介绍了动力电池的市场规模,我们这边就是在大规模储能不包括动力电池这方面,主要是大规模的智能电网调峰、可再生能源接入、分布式、微网以及通讯基站、数据中心。在这里面中国锂电池占比在世界范围内高一些,日本的钠硫电池一直没有进入到中国而且锂电池的性能越来越好,在运行当中也体现出了优势,所以在储能方面的占比越来越高。这是他们统计几种不同技术,我没有再更新2016年的数据,从这上面可以看到正在运行的38%,正在装机的锂电池占了非常大的份额,因为受动力电池产业链快速发展的支撑。在这里面他们统计了主要的几种应用和主要的几种技术,从这上面看到锂电池的占比也是在逐年的提升过程中。从应用上讲根据统计的数据可再生能源并网,大部分都是国家和地区的示范项目,然后就是电力分配、分布式发电和微网,中国市场上主要就是分布式发电和微网近两年来迅速的增长,占比超过了50%,通过刚才赵总介绍的通过子母差价直接获益也是有可能的。

  这是更详细的总结,就是USE给的数据,把电网和电力这里面储能的应用分成了三个主要的部分。一个就是按照考虑叫短时高频次的,就是毫秒量级、秒量级到几十秒的情况。第二个就是中频的,在分钟到小时级然后长时间的低频次,一天对一次。目前一般最长的也就是五六个小时,所以按照这样不同的段来分再把不同的30种应用放到上面进行细分,这个事情就是给大家一个提示,将来在各个细分应用方面发展应用哪种技术,这是很关键的一点。

  从技术的准备上面,从非常小的芯片开始到最后大规模的调峰到GWh这里面有不同的技术,我们在讨论无论是物理储能还是化学储能的一些指标,在每个技术的应用上面权重是不一样的。在规模储能方面可能会更关注技术经济性,就是说它的成本和寿命还包括循环寿命当然还包括响应时间,我们稍微的简单总结了一下因为时间关系我还没来得及把这张图完善。核心的几个技术指标从规模储能应用上包括循环寿命、服役寿命、能量效率、响应时间、自放电率、能量密度以及储能成本,在客户考虑储能应用的时候核心这几个指标有不同的权重针对不同的需求去考虑,我们在这里面发展了很多的储能技术要考虑清楚不同技术主要的技术指标特点,定量的指标到底在哪,刚才展示的表是定性的。定量的指标里面最关注哪些核心技术指标、哪些技术能够实现,后面一个小结就是说把一些考虑的问题,刚才是技术方面的问题,接下来要应用的话还是其他的因素。首先肯定关注大规模储能的安全性是否能够满足应用,第二个就是说可靠性怎么样,然后是在安装调试的时候是否很复杂,后就是能否适宜各种储能应用环境以及运行的时候能否实现远程智能监控,这样在无人地区或者少人地区很便于安装,另外整个储能系统是否易于维护或者免维护,再一个就是作为政府部门非常关心的就是在整个储能制造、使用以及服役到回收的过程中全寿命周期中能否全面解决环境污染的问题,或者给环境污染带来的影响。还有就是从安装和维护上面是否易于集成和灵活配组,另外就是说我们这里有很强的需求但是能否产业化需要一个产业链来支撑,产业链从原始的矿材开始到最后整个模块系统应用以及到检测回收都需要一个完整产业链,那么哪一个储能技术产业链完整了才能够支撑大规模的储能利用,现在经常遇到政府很着急说我要支持储能技术但是可用的储能技术并不是特别的多。另外作为企业和研究团队考虑未来5-10年有哪些重要技术会应用,另外支撑每一种应用的具体技术到底是哪些,首先肯定要选择度电成本按照典型差价可能五年实现利润成本回收接下来寿命越长商业上成功的可能性越大当然还有一些前提,安全性产业规模、客户体验。

  刚才我们说到技术方面的要求以及其他方面的要求,现在还有几个问题跟大家一起交流和分享,我们没有说有标准答案但是就希望在这几年的发展过程中把这个事情说清楚,就是到底适合三个主要类型短时高频、中时中频和长时间低频次的储能技术是哪一种或者哪几种,针对每一种具体的需求是不是需要有两个以上的储能共存和开发,从需求的角度考虑是否需要两种以上技术互相补充。如果有很多的指标要求对于客户来说面临一个选择,到底综合考虑哪个技术的先进性最适合我的标的,多目标要求下怎么来评价具体储能技术最佳适应性,从技术经济性方面依次采购成本、运维成本、安装成本和维护成本还有回收的成本,针对不同的应用需求整体技术经济性而且不同的储能需求产生的经济价值和社会价值也不一样,怎么样准确的评价我们在前期通过协会、发改委、研究机构也做了一些技术经济性方面的理论和实际研发,但是还不是特别清楚,如果不能清楚的话前期讨论的补贴政策就很难落实到很具体的方面,哪一种储能需求需要补贴、补贴多少要把这个事情说的相对清楚一些才好推动发展,这是几个要考虑的问题。

  接下来跟大家重点的交流一下锂电池方面的考虑。能量密度是非常关键要考虑的,能量密度的提升主要是通过材料的更替或者是电芯技术的进步把非活性材料逐渐降低比例提高活性材料比例同时提高活性材料自身储能的技术才能不断进步,但是按照过去的发展锂离子电池是稳定增长的,无论是体积能量密度还是质量的谜密度,按照这样的发展速度从本身过去发展历史,无论技术是否能跟上原来的趋势也好还是说从很多的新技术可能性,大家认为2020年动力电池可以做到300瓦时,但是规模储能的技术能量密度能做到什么程度,我们为什么非要追求能量密度,因为追求能量密度降低成本,到底做到什么样的能量密度我的循环寿命能满足客户要求至少5000次最好是一万次20年的使用寿命。从锂电池发展的情况来看核心变化主要是一些材料,材料从第一代到第二代到现在的第三代而且多元化的应用,材料方面有很多第三代材料依然还在开发中,虽然听起来锂离子电池技术进步大家都希望是颠覆性的技术进步,但是就现在而言三元材料还有很多技术和科学问题没有解决,这方面还要继续深入研发,还有配套各方面的技术。

  这是我们在2016年代表工信部和科技部发布的指南里边支持百兆瓦锂离子电池最后是宁德时代新能源通过激烈的竞争胜出,这个项目里面国家的要求是循环次数能够一万次以上,日历寿命是20年,电芯成本在1200元每瓦时,安全性满足动力电池国标,储能的国标还在策划中没有完全发布。从系统的角度循环是一万次,日历寿命大于15年安全性满足国标,成本小于1.5,一般来说一次采购成本加上一万次的寿命完全在商业上是可行的,远远超过5-6年成本的回收期所以从这点上讲这些技术如果一旦突破的话那么可以显著提供和促进大规模储能技术的发展。

  从动力电池角度看目前的技术路线逐渐比较明朗,就是优选第一行业的材料是高镍的622、811和NCA,富极方面动力电池方面逐渐的少量参加然后采用隔膜,接下来一些备选技术包括正在开发的高容量震级材料,纳米硅碳方面研发时间已经20多年但是循环寿命还有明显差距但是效率比较高,所以在这个基础之上现在一些企业和研究团队包括我们自己正在开发下一代的就是兼顾了循环性和纳米硅碳的高效率材料,接下来通过密度让各种演示可以做到300瓦时每斤,接下来要解决就是在实用过程中的循环性体现能量密度、膨胀以及自放电的问题,还要考虑到底是在圆柱、软包还是在铝壳中体现这是需要其他技术的进步,负极材料和正极材料的优化来实现,时间关系我今天就不详细说了。作为动力电池的应用如果我们是三个瓦时那按照现在的说法还剩240瓦时,做梯次利用显然远高于任何一种其他电池的能量密度。在考虑发展高能量密度动力电池如何兼顾后期大规模储能、梯级利用也是企业和研究团队需要注意的问题。国家层面提高内两密度是各个国家都关注的从300瓦时每公斤一直提升到500瓦时每公斤,从企业量产技术到研发技术300-500技术上怎么实现?公认路径是逐渐把一部分用金属锂来替代。我们做过一些计算如果把负极材料用石墨来做的话不同的正极材料选择能量密度的确是可以做的比较高一些,这样的话将来的度电采购成本比较高,这是一个发展趋势。能量密度提高必然会问现在250瓦时的我们现在追求300甚至400和500商业上有没有特别行,这是需要考虑的问题,怎么解决这个问题?很多团队都说我们要做固态电池,因为现在液态里电子带来一系列的问题。有些含量还在减少,这是很重要的。你看这里面展示的现在换成了金属模,这个技术能否成功这是另外一个问题,很可能商业上成功含锂的电池不一定是金属锂。从大家的期望上看我没有电解液的泄露所以各个方面理论上都应该很长,所以听起来是相当不错,这样应该是一个发展方向所以需要做详细的开发。在之前2016年我们写了一个在上面发表,简单的把固态电池考虑介绍了一下,大家可以看一下从细节上讲时间关系我就不展开,我们如果做一个固态电池现在需要解决的问题就是说从负极到正极集流体所有的材料需要考虑的问题我列出来,有为了解决这些问题很多公司、企业和研究团队提出了不同的解决方案,针对固态电池的设计有不同的解决方案,如果每一个解决方案实际上应用的只有一个选择,但是如何选择这么多的可能性导致现在看起来研究的团队和发表成果非常多,但是到底哪些技术能够更容易商业化、更容易规模化量产哪些技术能解决固态电池面临的挑战这还不是特别的清楚,也是同样在这篇文章里我们总结了一下。现在都有哪些固态电解质?主要就是氧化物的电解质还有氢化物,薄膜还有就是环氧乙烷这些体系。按照这种统计没有一种电解质能够满足现在液态电解质各方面综合平衡的所以就需要继续开发综合解决界面反映问题和安全性问题,几个方面同时解决。很多企业都开始关注和投入开展研发特别是日本企业,我们在这看了一系列的公司都参与了这方面的研发,并且从90年代开始就在做,像丰田公司、都在做,韩国有LG、三星做的非常多,另外像康宁等等现在也在做这些事情。从技术路线上主要就是说丰田公司在2014年之前用硫化物的电解质做出固态电池展示来,但是从体积能量密度上没办法做的很薄所以2014年之后改了技术,主要是重点解决固体电解质在溶剂中溶解的问题和涂层的问题,在他们企业内部来看是一个重要技术进步。将来从大规模生产很难说理解固态电池会通过比较慢的办法来实现,应该是充分的考虑现在锂离子电池高精度生产工艺来做,所以我个人认为不同形式的涂布工艺是未来固态电池主要生产的技术。这个电池正极就是磷酸铁锂,主要是因为聚合物电解质不耐高电压充电到3.8V就氧化了,所以适合的正极就是磷酸铁锂,作为电动汽车做了一些展示,的确是一个新的技术,但是从应用角度考虑还是希望能量密度再高一些,聚合物能否开发出高电压这是一个很大的挑战,到目前为止在大规模电池测试方面通过测试还比较少,还有一种可能性就是全部耐电池很难解决在充放电过程中带来接触省察的问题有没有可能加一点点电解液把界面润湿了,东芝公司展示的就是加一点液体,液体含量在4%左右,在这个例子里面用氧化物做电解质,但是这个电解质的厚度只有3微米,再把正负极材料之间混一些电解质粉再加上一点液体这样液膜相当于吸附在表面起到减少界面电阻的作用,这个技术展示的是能够在60度循环1800次坚固高低温,同时电解液少到一定程度的时候原来的湿性就会大大下降,但是现在具体而言下降到什么程度还需要大量掩码,这代表了一种平衡的设计考虑,直接做很难也不知道怎么样量产,我先兼顾一下减少液体含量。

  我再简单介绍一下我们科学院,首先是展示一下目前国内做固态电池的公司企业和研究团队的分布。从这张地图上可以看到现在做固态电池材料这个地方我在这展示的不是说做基础研究文章,就是说有能力做出软包电池样品的公司已经很多了,从南到北都有不同的企业在开发,其中里面的细节不再介绍了。在基础材料能够提供50微米的样品,后面还有能够提供本身的材料,这样的话从产业链上考虑不存在圆存料上的障碍。从技术方面就是如何解决电解质的量产,怎么样做出固态电解质含有的正极和负极。我们在科学院有一个先导项目在今年电动汽车会议上介绍过工作,主要动力电池方面的研发我不介绍了。我们安排了固态锂电池的研发包括硫化物的团队以及崔光磊团队在另一个会场有报告。这里面有24个负责人有400多人的研究团队正在开发,针对前面说的各种技术做这件事情,欢迎大家在这方面进行技术的交流,我们也希望这些技术能够转移到企业去促进这方面的发展。

  2015年的总结就是开发了一些技术包括锂离子电池以及锂空气电池还有固态电池,现在这些技术有一些形成了初创公司,有一些跟大的企业直接参与合作还包括做了动力电池的装备以及建立了国内第一个互联互通的综合测试分析平台来做动力电池的分析。我今天再简单介绍一下固态电池方面的进展,第一个要解决金属锂的问题,一个是在集流体上用多空甚至是三维结构的集流体来解决金属锂的体积变化问题。第二个在金属锂表面盖上新一层的电解质,它的区别就是能够耐受4.5V的电压,所以原则上讲是可以跟三元材料一起搭配的,这样的话能量密度会比较高一些。郭玉国老师还承担了纳米重点专项,这里就是要开发高能量密度,纳米固态金属欢迎大家跟郭老师进行技术的交流。然后是材料,几个单位开发了一些几十公斤级的材料包括硫化物的材料,这些材料基本上都可以做到几十公斤级的生产并且可以做成陶瓷的片以及负荷膜用在下一个演示验证上面。往大容量做现在还有一些生产上设备方面的挑战和困难,他们还开发了混合工业电解质的电池,有的人也叫固态电池,主要特点就是既能在市温下工作也能在高温下工作,现在是80度循环做到140以上容量保持率还很高。这个电池不怕高温和热时空,将来有电芯可以考虑设计出全新的模块来解决目前水冷和风冷在整个电池报上的占比比较高的问题。安全性测试也通过了一系列测试,崔老师今天下午会有一个报告,简单介绍一下。他是想办法解决PEO的问题,解决的思路就是说再聚合物里面用纤维素再加上碳酸质再加上锂离子导体综合提高材料的电导性达到平衡。用这样一个电池开发了软包电池目前也接近300Wh每公斤,最近在微信上大家都看得到新能源所做的电池做了6次深海实验下浅到了11000米没有发现任何问题,固态电池在深海外压的情况下也能进行工作,这一点对动力电池设计以及储能电池设计应该说也是一个很好的启发,所以我们会继续开发这件事情。

  电池方面相对水平稍微低一些,还需要再摸索,他们也是正在往前努力。物理所一直在开发,后来由于液态锂成功我们后来就转型开始做这个,能量密度提升以后安全问题突出,近年来又开始做固态锂电池,提高能量密度解决安全性的问题。

  我在这介绍一个例子我们希望在固态电池中怎么样解决固态电解质和正负极之间的接触,所以希望在电池里面原位固态化的电池采用一种特殊的隔膜叫离子导电涂层隔膜解决传导和界面稳定性的问题。刚开始是有液体的,这个我就做了一下展示可以做到310到350中间,870瓦时到890瓦时,从指标来看是有希望的,接下来确实需要花很大的力气来解决这个问题。这个也是兼容现在所有的设备,主要是因为考虑到如果我做全新的电池肢体解决方案所有设备都要颠覆性的话对产业链长期发展或者说产业链接受程度也是很难的,最好是能够兼顾现有设备通过材料和制造环节改变开发新的电池技术,这是新的考虑。实验室可以展示出一个好的循环性,在高容量的情况下体现的,这方面还再继续进行。这种电池甚至可以放在水里面进行,将来也许有可能用在可穿戴电子里面,这是智能手环展示,这是纸的展示,这种固态的电池有可能将来在这方面获得一些应用,因为它的特点就是能量密度特别高。总结前面提到各种技术在电池上面,我们现在液态电池软包里面含有15%-25%的电解液取决于分装材料和设计,这里现在有些企业开始做一体化的解决方案未来如果想全面提高安全性直观理解是说要做金属锂负极这样能量密度很高安全也许很好,中间过渡看怎么样从20%的电解液到1%的含量之间会发生什么,这样电池各方面的性能有什么样的变化这是现在需要研究的,还没有哪些企业能够研究清楚这些问题研发团队也在开发中。电工所的老师还在拿液体容量加大,像MIT检验流程,这种不同的考虑导致这里面还有很多创新的机会在锂电池开发上来说。从应用上来讲我们就是希望怎么样能够借助液态锂电池的优点回避安全方面的缺点和能量密度提升的困难,能不能取长补短做这件事情。从动力电池上很可能动力电池以及储能电池开发商我们认为首先是固态锂离子电池然后是固态金融锂电池,最终也许就是到了固态的负荷金融锂电池到了极限,最后感谢各位合作伙伴以及国内中科院12个单位,还有高等院校以及国外研究所和企业,感谢大家的聆听,谢谢。

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