重建钛酸锂电池“多快多省”来存储未来

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河北省张家口张北风光储运示范工程

走进位于张北县的国家风光储输示范电站，你可以看到一排排高耸的白色风力涡轮机和闪闪发光的蓝色光伏电池板在绿色的草原上相得益彰。

这是中国最大的风能和太阳能储存和传输示范项目。它采用了世界上第一个风光储输电联合发电的理念和技术路线，是一个集风力发电、光伏发电、储能装置和智能输电于一体的新能源综合示范项目。

该电站能“存储”难以预测、控制和调度的风和光，并将其转化为高质量、可靠的绿色电能输入电网，并能在“平稳波动”和“削峰填谷”运行模式之间灵活切换。在失去外部电网供电的情况下，储能电站可以通过其内部自启动能力维持电网的正常运行。

发展储能技术是促进新能源发电、提高电网安全性和稳定性的关键核心技术之一。在各种电化学储能技术中，钛酸锂电池具有循环寿命长、安全性能好的特点，非常适合电网储能的应用场景，但钛酸锂电池的高成本不利于大规模储能应用。

为此，中国电力科学研究院与多个单位共同组建了“低成本钛酸锂储能电池开发及系统集成技术开发应用”项目组。经过多年研究，项目组在原有钛酸锂电池的基础上，提出了满足储能应用要求的钛酸锂电池材料体系和生产工艺的改造原则和技术方案，并开发了亚微米钛酸锂材料。本项目开发的储能用钛酸锂电池保持了其固有的长寿命特性，同时成本大大降低。在2017年北京科技奖上，该项目获得了二等奖。

新能源的下一个出口

储能被认为是新能源的下一个出路。储能产业作为推动未来新能源产业发展的前瞻性技术，将在新能源并网、新能源汽车、智能电网、微电网、分布式能源系统和家用储能系统中发挥巨大作用。

“发展储能的原因是因为光伏和风力发电是间歇性和不稳定的，因此有必要与储能系统合作，以提供稳定可靠的电力。”中国电力科学研究院储能电池本体研究室主任杨凯告诉记者。

采用大规模储能技术可以促进可再生能源的发展，提高电网的安全性和稳定性，提高供电质量，有效缓解电力供需矛盾。

大型储能系统贯穿于电力系统发电、输电、配电和使用的各个环节，其应用不仅可以改善传统电力系统的性能，还可以给电网的规划、设计、布局、运行管理和使用带来革命性的变化。从这个意义上说，储能技术是一个具有国家战略意义的技术制高点，发展储能技术实际上是“储存未来”。

锂离子电池中的奇葩

据了解，储能技术主要分为机械储能、电化学储能、电磁储能和相变储能。近年来，以锂离子电池为代表的电化学储能技术具有能量规模大、选址灵活、响应速度快等特点。符合电力系统的技术要求和智能电网的发展趋势。锂离子电池是一种“摇椅电池”，其正负电极由两种化合物或简单物质组成，可以多次脱嵌锂。充电时，正极材料脱锂，锂离子进入电解液，通过隔膜嵌入负极，正极发生氧化反应，放电时情况正好相反。

随着电池电极材料的研究，锂离子电池技术发展迅速。目前，它已经从钴酸锂扩展到三元体系、锰酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂等电池体系。以钛酸锂为负极的新型锂离子电池突破了石墨作为负极的固有限制，其性能明显优于传统锂离子电池，成为最有前途的储能电池之一。为此，杨凯向记者介绍了钛酸锂电池能够脱颖而出的四大优势:

良好的安全性和稳定性。由于锂嵌入钛酸锂阴极材料的高电位，在充电过程中避免了锂金属的生成和沉淀，并且由于其平衡电位高于大多数电解质溶剂的还原电位，所以不与电解质反应，不形成固液界面钝化膜，从而避免了许多副反应，大大提高了安全性。"像电动汽车一样，储能电站是最重要的指标."杨凯说。

出色的快速充电性能。充电时间长一直是电动汽车发展中难以克服的障碍。一般采用充电慢的纯电动公交车，充电时间至少为4小时，许多纯电动客车的充电时间长达8小时。钛酸锂电池可以在大约十分钟内充满电，与传统电池相比，这是一个质的飞跃。

长循环寿命。与传统锂离子电池常用的石墨材料相比，钛酸锂材料的骨架结构在充放电过程中的嵌锂和脱锂过程中几乎不收缩或膨胀，因此被称为“零应变”材料，避免了普通电极材料脱嵌/脱嵌锂离子时电池体积应变造成的电极结构损伤问题，具有优异的循环性能。根据实验数据，普通磷酸铁锂电池的平均循环寿命为4000-6000倍，而钛酸锂电池的循环寿命可达25000倍以上。

耐宽温性能好。一般来说，电动汽车在-10℃充放电时会有问题。钛酸锂电池具有良好的耐温性和耐久性，可在-40℃至70℃下正常充放电。无论是在寒冷的北方国家还是炎热的南方国家，汽车都不会受到电池“冲击”的影响，消除了用户的担忧。

基于这些优势，钛酸锂电池已经成为锂离子电池技术发展中令人眼花缭乱的“奇葩”。

技术改造降低成本

最初的钛酸锂电池是为满足电动汽车对动力电池的需求而开发的。虽然国际上先进的钛酸锂电池企业已经开始涉足电能存储领域，但还没有专门为大规模储能应用而设计开发的钛酸锂电池。

“钛酸锂电池在大规模应用中面临的主要问题是成本问题。在项目研发之初，其价格是磷酸铁锂电池的4-6倍。”杨凯表示，钛酸锂电池的价格仍然很高。尽管其性能明显优于现有的锂离子电池，但钛酸锂电池的市场推广受到经济因素的极大限制。

因此，为了实现钛酸锂电池的大规模储能应用，有必要在现有电动汽车用钛酸锂电池的基础上进行技术改造，包括材料体系、电池设计、生产工艺等方面的技术改造，以保证钛酸锂电池的长寿命固有特性，并大幅降低成本。

“我们不是在地面上建造高层建筑，而是基于用于电动汽车的钛酸锂电池技术，为了满足储能应用的需求，我们对用于电动汽车的钛酸锂电池技术进行了技术改造。”杨凯说。

任何技术都不可能涵盖所有方面，只需要在各种技术指标之间找到平衡点。

“储能电池不需要太多的速率，放电速率只需要达到5摄氏度。”杨凯说，“储能电池一般放置在室内，温度相对恒定，对温度适应性的要求也不太高。”"放弃一些性能和选择低成本是最重要的选择."

在分析了钛酸锂电池的成本后，项目组发现这种电池的高成本在于材料。"钛酸锂电池使用纳米材料，材料合成过程和电池制备过程复杂."

由于纳米材料的强吸水性，有必要降低环境湿度，增加厂房的除湿处理，增加干燥工序，从而显著增加能耗。在这方面，项目团队决定在纳米材料上努力工作。经过反复试验，他们最终用低成本的亚微米钛酸锂材料取代了纳米钛酸锂材料，并在此基础上建立了一套用于储能的钛酸锂电池材料体系。通过实验，当材料的粒径为0.8微米时，不仅可以保证长寿命，还可以减少生产过程控制的苛刻条件，从而降低成本。同时，在性能、制造工艺和成本上具有优势的层压软包装结构也被用来代替环形结构和圆柱形结构。

0.8微米是一个平衡值，较大的颗粒尺寸会影响电池寿命杨凯说。

这一方面是通过改造材料和电池结构来降低电池成本，另一方面是改造均化、预涂覆集流体、环境控制、电池制造工艺等技术。

“过去，在电极材料的均化中，传统的搅拌过程是先加入溶剂，然后干燥，这消耗了大量的能量。R&D团队将这一过程改为高粘度搅拌过程，以减少溶剂用量。”杨凯说。

在电极生产过程中，项目组将进口预涂集流体改为自行开发的预涂集流体；在电池制造过程中，消除了两个干燥过程，即涂覆前的线圈干燥和液体注入前的电池干燥。在电池制造的环境控制中，环境湿度从10%降低到30%。“纳米材料的湿度应控制在10%以下，磷酸铁锂的湿度为30%。我们使用亚微米材料在30%的湿度环境中制造电池，发现电池寿命几乎不受影响。”杨凯说:“经过测试，钛酸锂电池的循环寿命超过16000次，电池成本下降了30%。”

据了解，本项目的相关研究成果不仅将应用于“全国风光储运示范工程”，而且将对2022年北京-张家口冬奥会和北京电动汽车产业的发展起到重要作用。(沈明)

编者:周璇