走進位于張北縣的國家風光儲輸示范電站,可以看到在綠色的草原上,一排排高高聳立的白色風力發電機和閃閃發光的藍色光伏板交相輝映。

這里是我國最大的風光儲輸示范工程,采用世界首創的風光儲輸聯合發電建設思路和技術路線,是集風電、光伏、儲能裝置和智能輸電“四位一體”的新能源綜合性示范工程。

這個電站可以將“難預測、難控制、難調度”的風、光資源“儲存”起來,并轉化為優質可靠的綠色電能輸入電網,并能在“平滑波動”和“削峰填谷”運行模式間靈活切換,在失去外部電網供電的情況下,儲能電站可通過內部自啟動能力,保持電網正常運行。

發展儲能技術是促進新能源發電、提高電網安全穩定性的關鍵核心技術之一。在各種類型的電化學儲能技術中,鈦酸鋰電池具有循環壽命長、安全性能好等特點,很好的契合了電網儲能的應用場景,但鈦酸鋰電池的高成本卻不利于規模化儲能應用。

對此,中國電力科學研究院聯合多家單位,共同組建了“儲能用低成本鈦酸鋰電池研制及系統集成技術開發與應用”項目組。經過多年研究,項目組針對儲能應用需求,在原有鈦酸鋰電池的基礎上提出了滿足儲能應用需求的鈦酸鋰電池材料體系及生產工藝重構原則與技術方案,研發出亞微米級鈦酸鋰材料。項目研制的儲能用鈦酸鋰電池保持了長壽命本征特性的同時,成本大幅下降。在2017年北京市科學技術獎評選中,該項目獲得二等獎。

新能源的下一個風口

儲能被認為是新能源的下一個風口。作為未來推動新能源產業發展的前瞻性技術,儲能產業在新能源并網、新能源汽車、智能電網、微電網、分布式能源系統、家庭儲能系統等方面都將發揮巨大作用。

“之所以發展儲能,是因為光伏和風力發電,是間歇的、不穩定的,因此需要儲能系統的配合,才能提供穩定可靠的電力。”中國電力科學研究院儲能電池本體研究室主任楊凱告訴記者。

采用大規模儲能技術,可促進可再生能源發展、提高電網安全和穩定性、改善供電質量、有效緩解用電供需矛盾。

大規模儲能系統貫穿電力系統發、輸、配、用的各個環節,其應用既能提升傳統電力系統的性能,也將給電網的規劃、設計、布局、運行管理以及使用等帶來革命性的變化,從這個意義上講,儲能技術是具有國家戰略意義的技術制高點,發展儲能技術其實就是“存儲未來”。

鋰離子電池里的一朵“奇葩”

據了解,儲能技術主要分為機械儲能、電化學儲能、電磁儲能和相變儲能等。近幾年,以鋰離子電池為代表的電化學儲能技術具有能量規模大、選址靈活、響應速度快等特點,符合電力系統技術需求和智能電網發展趨勢,被各國研究機構作為研究重點,成為發展最快的電力系統儲能技術。鋰離子電池是一種“搖椅電池”,正負極由兩種可多次脫嵌鋰的化合物或單質組成。充電時,正極材料脫鋰,鋰離子進入電解液穿過隔膜嵌入負極,正極發生氧化反應,放電時則相反。

鋰離子電池技術隨著電池電極材料的研究一直處于快速發展的狀態,目前已經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。以鈦酸鋰為負極的新型鋰離子電池,突破了石墨作為負極的固有局限性,性能顯著優于傳統的鋰離子電池,成為最具應用前景的儲能電池之一。為此,楊凱向記者介紹了鈦酸鋰電池能夠脫穎而出的四大優點:

安全穩定性好。由于鈦酸鋰負極材料嵌鋰電位高,在充電的過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溶劑的還原電位,不與電解液反應,不形成固—液界面鈍化膜,避免了很多副反應的發生,從而大大的提高了安全性。“儲能電站和電動汽車一樣,安全穩定性是最為重要的指標。”楊凱說。

快充性能優異。充電時間太長一直是電動汽車發展過程中難以跨越的障礙。一般采用慢充的純電動公交車,充電時間至少要4個小時以上,很多純電動乘用車的充電時間更是長達8個小時。而鈦酸鋰電池十分鐘左右即可充滿,較傳統的電池有了質的飛躍。

循環壽命長。與傳統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程中,骨架結構幾乎不發生收縮或膨脹,被稱為“零應變”材料,避免了一般電極材料脫/嵌鋰離子時晶胞體積應變而造成的電極結構損壞的問題,因而具有非常優異的循環性能。根據實驗數據測定,普通磷酸鐵鋰電池循環壽命平均為4000—6000次,而鈦酸鋰電池的循環壽命可達25000次以上。

耐寬溫性能良好。一般電動汽車在-10℃時充放電就會出現問題,鈦酸鋰電池耐寬溫性能良好,耐用性強,在-40℃到70℃均可正常充放電,無論是在冰封的北國,還是在炎熱的南方,車輛都不會因電池“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勢,鈦酸鋰電池成為鋰離子電池技術發展征程上一朵耀眼的“奇葩”。

技術重構降低成本

最初的鈦酸鋰電池是以滿足電動汽車動力電池需求而開發的,雖然國際上先進的鈦酸鋰電池企業已經開始涉足電力儲能領域,但還沒有出現專門為規模儲能應用設計開發的鈦酸鋰電池。

“鈦酸鋰電池在規模應用中面臨的主要問題是成本問題,項目研發之初,其價格是磷酸鐵鋰電池價格的4—6倍。”楊凱說,鈦酸鋰電池價格居高不下,雖然性能顯著優于現有鋰離子電池,但是經濟性因素極大的限制了鈦酸鋰電池的市場推廣。

因此,鈦酸鋰電池要實現大規模儲能應用,需要在現有的電動汽車用鈦酸鋰電池的基礎上進行技術重構,包括材料體系、電池設計、生產工藝等方面的技術重構,在保證鈦酸鋰電池長壽命本征特性的同時,大幅降低成本。

“我們不是平地起高樓,而是在電動汽車用鈦酸鋰電池技術基礎之上,以滿足儲能應用需求為目標,對電動汽車用鈦酸鋰電池技術進行了技術重構。”楊凱說。

任何技術都不可能面面俱到,只需要找到各項技術指標間的平衡點。

“儲能電池對倍率要求并不太高,放電倍率只需達到5C。”楊凱表示,“儲能電池一般都放在房間里,溫度相對恒定,對溫度適應性的要求也不用太高。”“放棄一些性能,選擇低成本,成為最重要的選擇。”

項目團隊對鈦酸鋰電池進行了成本分析后發現,這種電池成本高的根源在于材料。“鈦酸鋰電池用的是納米材料,材料合成工藝和電池制備工藝復雜。”

由于納米材料吸水性強,因此,生產環節必須要降低環境濕度,加大對廠房的除濕處理,并增加烘干程序,能耗顯著增加。對此,項目團隊決定在納米材料上下工夫,他們經過反復試驗,最終以低成本亞微米鈦酸鋰材料取代納米鈦酸鋰材料,并以此為基礎建立儲能用鈦酸鋰電池材料體系。通過實驗,材料粒徑在0.8微米時,既能保證長壽命的特點,又能降低生產工藝控制的苛刻條件,從而降低成本。同時,還采用在性能、制造工藝、成本方面都具有優勢的疊片式軟包裝結構取代環形結構和圓柱形結構。

“0.8微米是一個平衡值,粒徑再增大些就會影響到電池壽命。”楊凱說。

這是從材料和電池結構的重構來降低電池成本,另一方面則針對勻漿、預涂層集流體、環境控制、電池制作工序等環節進行技術重構,降低電池成本。

“以前在電極材料的勻漿環節中,常規的攪拌工藝是先加溶劑,再烘干,能耗很高。研發團隊將這道工藝改為高粘度攪拌工藝,減少溶劑使用量。”楊凱說。

在電極制作環節,項目團隊將進口預涂層集流體改為自主研發的預涂層集流體；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烘干工序。在電池制作的環境控制環節,將環境濕度由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%的濕度環境下制作電池,發現電池壽命幾乎沒受影響。”楊凱說,“經過測試,鈦酸鋰電池的循環壽命超過16000次,電池成本下降了30%。”

據了解,該項目的相關研究成果除了在“國家風光儲輸示范工程”項目中得到應用外,對于在北京—張家口舉辦的2022年冬奧會以及北京電動汽車產業的發展,也將發揮重要作用。