精工电子郭鑫：电池储能系统应用及性能成本双驱锂电池材料的开发

蓝狮平台网讯：9月10-11日，由中国化学与物理电源行业协会、南方科技大学碳中和能源研究院、南方电网能源发展研究院联合100余家机构共同支持的碳中和能源高峰论坛暨第三届中国国际新型储能技术及工程应用大会在深圳召开。此次大会主题是“绿色、经济、安全、发展”。

  来自行业主管机构、国内外驻华机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的600余家产业链企业，1317位嘉宾参加了本届大会。

  11日下午，山东精工电子科技股份有限公司高级工程师郭鑫受邀在“储能材料、回收与装备专场”分享了主题报告，主题为《电池储能系统应用及性能成本双驱锂电池材料的开发》。

  郭鑫：尊敬的各位来宾，大家下午好！今天很荣幸受到组委会的邀请来给大家汇报关于“材料—电池储能系统应用及性能成本双驱锂电池的开发”。

  主要从以下四个部分进行介绍：

  第一部分简单介绍储能背景。因为大家对能源的概念并不陌生，所以在这里我也不过多赘述。接下来主要介绍电池的存储部分。当下电池的存储体系包含电化学、静电、机械类、热能类等。据统计显示，新型储能方式应用逐年增加，特别是锂离子电池。在新型的储存应用中锂离子电池占据主导地位，其它的还有铅蓄电池、液流电池，占比还是比较少的。从美国以及欧洲的电化学新增装机容量、我国的能源消费结构以及电池在2050年中国电池发展格局中占比可以看出，储能技术的发展是解决未来的能源危机以及实现2060年碳中和的关键性技术。放眼全球，解读我们国家和其它国家关于储能技术发展的相关政策。从这些政策来看，市场对于电能的需求还是比较大的，这得益于各国对于绿色能源的支持和发展。

  第二是电化学储能——锂电池。

  我们山东精工电子科技股份有限公司生产的锂电池涉及到的应用领域，从一般的家用电器、电动工具到电动自行车、电动汽车，以及储能柜和智能制造领域都有。我们公司是国内最早一批通过中国船级社认证的锂电企业，这使得锂电在船舶及海上平台上得以应用。

  目前储能电池主要应用于调峰调频、可再生能源并网和微电网等领域，当前，我们都希望储能电池的使用寿命能大于10年。另外从2017年到2020年的我国储能电池出货量年均复合增长率66%可以看出，储能电池在未来的发展中将更加迅猛。对比当下主流的储能电池各项技术指标，可以看出锂离子电池特别是磷酸铁锂电池，它的综合性能比较强，目前它的生产制造技术也趋于完善，已处于商业应用阶段。图中是磷酸铁锂电池的结构示意图和它的充放电基本原理示意图。磷酸铁锂圆柱电池有很多的类型：21700、32700、大圆柱和方形等等，对比不同磷酸铁锂的重量比能量，可以看出大圆柱的重量比能量比常规圆柱高20%左右，方形的重量比能量是最高的。从体积比能量来看，21700和大圆柱的体积比能量占据优势。随着锂电池储能技术的快速发展，国家电网对其在能量密度、倍率特性、能量利用率、循环寿命等方面提出要求。同时这四个方面对应于储能运行的四个特性：能量的有限性、双向调节能力，以及能量的损耗成本，特别是影响寿命以及成本。

  说到成本问题，我们接下来就要谈一下第三部分，性能成本双驱锂电池的开发。电能成本=静态成本+充电成本+转化损耗。在0.5C下，电能成本和充电成本接近成正比。当市场差价大于电能成本时，储能放电能获得较大的收益。说到成本，我们就要考虑到对成本的控制，当下对电化学储能成本的控制目标是实现达到低成本、长寿命、高安全、易回收这四个目标。从电化学的技术经济特性来看，目前抽水蓄能的度电成本是当下最低的，而里程成本中磷酸铁锂电池的成本是最低的，这对于储能技术的发展特别是磷酸铁锂电池的发展来说是一个机遇。关于电化学储能应用端，当下主要处于用户用电阶段。我们集团生产的锂电池95%用于国外出口，主要销往美国、澳大利亚、欧洲等国家和地区。

  接下来关于性能成本双驱锂电池开发的四个方案：

  方案1：低成本系统制造：数字智造+高能一致性。我们公司搭建了数字化智能车间，通过采用PLM系统、生产MES系统和BPM系统以及财务ERP闭环管理，实现了对产品制造稳定性的管控。

  另外根据密堆积理论，开发压实密度高的正极材料，有助于提高电池的体积比能量。特别是当压实密度达到2.7g/cm3时，磷酸铁锂的体积比能量能提高13.3%。关于锂电池的全气候适用性。在不同温度不同的倍率范围下，我们公司的磷酸铁锂电池在-20摄氏度时，低温放电的放电量能大于70%，而在-40摄氏度时，它的低温放电量高达到58%。

  方案2：长寿命设计。磷酸铁锂电池的使用寿命是当下关注的焦点，我们公司通过碳包覆技术合成了电导率高、石墨化程度高的磷酸铁锂材料，从材料上进行改性，从而实现了3800mAh电芯在5C充放电下循环8000周，容量保持率仍大于70%，同时3200mAh的电芯在1C充放电条件下循环4000周，容量保持率能大于80%。

  方案3：安全控制技术——锂电池。锂电池的安全是不可忽视的，针对安全方面的控制技术可分为两部分改善，一方面可以采用热稳定性、低温性和导电性好的新型锂盐与表面形成稳定SEI膜的新型电解液添加剂协同作用，提高电池的极端环境适应性和高温储存的长效性。另一方面采用BMS内短预判，PCS单簇管理和热管理等技术，从根本上提高电芯的安全性。

  方案4：倍率放电。针对于倍率放电性能，可以通过改善磷酸铁锂材料的碳化工艺，纳米化结构的控制和浆料设计以及流变性，从而提高磷酸铁锂电池的倍率放电特性。其中关于浆料的流变性，可以通过控制磷酸铁锂材料的纳米化形貌、纳米化不同加工的差异特性以及浆料的黏度等方面进行调控，从而提高倍率放电性。图中就是我们公司在做的一个电池，在10C的充放电模式下，大约循环5000周左右，它的容量保持率大于80%。

  接下来谈谈回收技术。因为锂电池中的钴、锰、镍等元素对环境有害，难以降解，但是它们又具有较高的价值，因此对锂电池的回收是非常重要的，当下的回收方式主要有三种：干法、湿法和生物法，其中湿法的应用比较广泛。该图是采用梯次回收模式对废动力锂电池再生利用的流程图。这种梯次回收模式还需要更健康的评估以及标准的建立，因此它的发展还有待更进一步的突破。近年来由于锂电池行业的快速发展，锂电池的产能不断增加，因此针对废旧锂电池的回收日益受到重视。在未来的发展趋势中，关于锂电池回收产业链这一块将会更加完善

  第四部分对储能技术发展的展望。从2025年到2050年全球电化学新增装机容量趋势图可以看出，市场对于电能的需求还是比较强烈的，这得益于各国对于绿色能源发展的支持。因此，提高能量密度、储能时长以及使用寿命等主要技术指标将是未来储能电池技术发展的需求和方向。

  谢谢大家，我的演讲到此结束。

【责任编辑:孟瑾】