位于河北張家口的張北風(fēng)光儲輸示范工程
走進位于張北縣的國家風(fēng)光儲輸示范電站唾琼，可以看到在綠色的草原上饲做，一排排高高聳立的白色風(fēng)力發(fā)電機和閃閃發(fā)光的藍色光伏板交相輝映。 這里是我國最大的風(fēng)光儲輸示范工程洋措，采用世界首創(chuàng)的風(fēng)光儲輸聯(lián)合發(fā)電建設(shè)思路和技術(shù)路線蜘渣，是集風(fēng)電淌铐、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蔫缸。 這個電站可以將“難預(yù)測腿准、難控制、難調(diào)度”的風(fēng)捂龄、光資源“儲存”起來，并轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)可靠的綠色電能輸入電網(wǎng)加叁，并能在“平滑波動”和“削峰填谷”運行模式間靈活切換倦沧，在失去外部電網(wǎng)供電的情況下，儲能電站可通過內(nèi)部自啟動能力它匕，保持電網(wǎng)正常運行展融。 發(fā)展儲能技術(shù)是促進新能源發(fā)電、提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的關(guān)鍵核心技術(shù)之一豫柬。在各種類型的電化學(xué)儲能技術(shù)中告希，鈦酸鋰電池具有循環(huán)壽命長扑浸、安全性能好等特點，很好的契合了電網(wǎng)儲能的應(yīng)用場景燕偶，但鈦酸鋰電池的高成本卻不利于規(guī)暮仍耄化儲能應(yīng)用。 對此指么，中國電力科學(xué)研究院聯(lián)合多家單位酝惧，共同組建了“儲能用低成本鈦酸鋰電池研制及系統(tǒng)集成技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用”項目組。經(jīng)過多年研究伯诬，項目組針對儲能應(yīng)用需求晚唇，在原有鈦酸鋰電池的基礎(chǔ)上提出了滿足儲能應(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)出亞微米級鈦酸鋰材料盗似。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哩陕，成本大幅下降。在2017年北京市科學(xué)技術(shù)獎評選中赫舒，該項目獲得二等獎悍及。 新能源的下一個風(fēng)口 儲能被認(rèn)為是新能源的下一個風(fēng)口。作為未來推動新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前瞻性技術(shù)号阿，儲能產(chǎn)業(yè)在新能源并網(wǎng)并鸵、新能源汽車、智能電網(wǎng)扔涧、微電網(wǎng)园担、分布式能源系統(tǒng)、家庭儲能系統(tǒng)等方面都將發(fā)揮巨大作用枯夜。 “之所以發(fā)展儲能弯汰，是因為光伏和風(fēng)力發(fā)電，是間歇的湖雹、不穩(wěn)定的咏闪，因此需要儲能系統(tǒng)的配合，才能提供穩(wěn)定可靠的電力摔吏。”中國電力科學(xué)研究院儲能電池本體研究室主任楊凱告訴記者鸽嫂。 采用大規(guī)模儲能技術(shù)，可促進可再生能源發(fā)展征讲、提高電網(wǎng)安全和穩(wěn)定性据某、改善供電質(zhì)量、有效緩解用電供需矛盾诗箍。 大規(guī)模儲能系統(tǒng)貫穿電力系統(tǒng)發(fā)癣籽、輸、配、用的各個環(huán)節(jié)筷狼，其應(yīng)用既能提升傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的性能瓶籽，也將給電網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計埂材、布局塑顺、運行管理以及使用等帶來革命性的變化，從這個意義上講楞遏，儲能技術(shù)是具有國家戰(zhàn)略意義的技術(shù)制高點茬暇，發(fā)展儲能技術(shù)其實就是“存儲未來”。 鋰離子電池里的一朵“奇葩” 據(jù)了解寡喝，儲能技術(shù)主要分為機械儲能糙俗、電化學(xué)儲能、電磁儲能和相變儲能等预鬓。近幾年巧骚，以鋰離子電池為代表的電化學(xué)儲能技術(shù)具有能量規(guī)模大、選址靈活格二、響應(yīng)速度快等特點劈彪，符合電力系統(tǒng)技術(shù)需求和智能電網(wǎng)發(fā)展趨勢，被各國研究機構(gòu)作為研究重點顶猜，成為發(fā)展最快的電力系統(tǒng)儲能技術(shù)沧奴。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)組成长窄。充電時滔吠，正極材料脫鋰，鋰離子進入電解液穿過隔膜嵌入負(fù)極挠日，正極發(fā)生氧化反應(yīng)疮绷，放電時則相反。 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)嚣潜，目前已經(jīng)從鈷酸鋰電池拓展到了三元系冬骚、錳酸鋰、磷酸鐵鋰懂算、鈦酸鋰等多種電池體系并存只冻。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)極的固有局限性计技，性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的鋰離子電池喜德，成為最具應(yīng)用前景的儲能電池之一。為此酸役，楊凱向記者介紹了鈦酸鋰電池能夠脫穎而出的四大優(yōu)點： 安全穩(wěn)定性好住诸。由于鈦酸鋰負(fù)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涣澡，又因其平衡電位高于絕大部分電解質(zhì)溶劑的還原電位贱呐，不與電解液反應(yīng)，不形成固—液界面鈍化膜入桂，避免了很多副反應(yīng)的發(fā)生奄薇，從而大大的提高了安全性。“儲能電站和電動汽車一樣抗愁，安全穩(wěn)定性是最為重要的指標(biāo)馁蒂。”楊凱說。 快充性能優(yōu)異蜘腌。充電時間太長一直是電動汽車發(fā)展過程中難以跨越的障礙沫屡。一般采用慢充的純電動公交車，充電時間至少要4個小時以上撮珠，很多純電動乘用車的充電時間更是長達8個小時沮脖。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)的飛躍芯急。 循環(huán)壽命長勺届。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程中娶耍，骨架結(jié)構(gòu)幾乎不發(fā)生收縮或膨脹免姿，被稱為“零應(yīng)變”材料，避免了一般電極材料脫/嵌鋰離子時晶胞體積應(yīng)變而造成的電極結(jié)構(gòu)損壞的問題榕酒，因而具有非常優(yōu)異的循環(huán)性能胚膊。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)測定，普通磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命平均為4000—6000次奈应，而鈦酸鋰電池的循環(huán)壽命可達25000次以上澜掩。 耐寬溫性能良好。一般電動汽車在-10℃時充放電就會出現(xiàn)問題杖挣，鈦酸鋰電池耐寬溫性能良好肩榕，耐用性強，在-40℃到70℃均可正常充放電惩妇，無論是在冰封的北國株汉，還是在炎熱的南方，車輛都不會因電池“休克”而影響工作歌殃，消除了用戶的后顧之憂乔妈。 正是基于以上這些優(yōu)勢，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”氓皱。 技術(shù)重構(gòu)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(fā)的路召，雖然國際上先進的鈦酸鋰電池企業(yè)已經(jīng)開始涉足電力儲能領(lǐng)域勃刨，但還沒有出現(xiàn)專門為規(guī)模儲能應(yīng)用設(shè)計開發(fā)的鈦酸鋰電池。 “鈦酸鋰電池在規(guī)模應(yīng)用中面臨的主要問題是成本問題股淡，項目研發(fā)之初身隐，其價格是磷酸鐵鋰電池價格的4—6倍。”楊凱說唯灵，鈦酸鋰電池價格居高不下贾铝，雖然性能顯著優(yōu)于現(xiàn)有鋰離子電池，但是經(jīng)濟性因素極大的限制了鈦酸鋰電池的市場推廣埠帕。 因此垢揩，鈦酸鋰電池要實現(xiàn)大規(guī)模儲能應(yīng)用，需要在現(xiàn)有的電動汽車用鈦酸鋰電池的基礎(chǔ)上進行技術(shù)重構(gòu)敛瓷，包括材料體系叁巨、電池設(shè)計、生產(chǎn)工藝等方面的技術(shù)重構(gòu)呐籽，在保證鈦酸鋰電池長壽命本征特性的同時俘种，大幅降低成本。 “我們不是平地起高樓绝淡，而是在電動汽車用鈦酸鋰電池技術(shù)基礎(chǔ)之上宙刘，以滿足儲能應(yīng)用需求為目標(biāo)，對電動汽車用鈦酸鋰電池技術(shù)進行了技術(shù)重構(gòu)牢酵。”楊凱說悬包。 任何技術(shù)都不可能面面俱到，只需要找到各項技術(shù)指標(biāo)間的平衡點馍乙。 “儲能電池對倍率要求并不太高布近，放電倍率只需達到5C。”楊凱表示丝格，“儲能電池一般都放在房間里撑瞧，溫度相對恒定，對溫度適應(yīng)性的要求也不用太高显蝌。”“放棄一些性能预伺，選擇低成本，成為最重要的選擇曼尊。” 項目團隊對鈦酸鋰電池進行了成本分析后發(fā)現(xiàn)酬诀，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骆撇，材料合成工藝和電池制備工藝復(fù)雜瞒御。” 由于納米材料吸水性強，因此神郊，生產(chǎn)環(huán)節(jié)必須要降低環(huán)境濕度肴裙，加大對廠房的除濕處理趾唱，并增加烘干程序，能耗顯著增加蜻懦。對此鲸匿，項目團隊決定在納米材料上下工夫，他們經(jīng)過反復(fù)試驗阻肩，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)建立儲能用鈦酸鋰電池材料體系运授。通過實驗烤惊，材料粒徑在0.8微米時，既能保證長壽命的特點吁朦，又能降低生產(chǎn)工藝控制的苛刻條件柒室，從而降低成本。同時逗宜，還采用在性能雄右、制造工藝、成本方面都具有優(yōu)勢的疊片式軟包裝結(jié)構(gòu)取代環(huán)形結(jié)構(gòu)和圓柱形結(jié)構(gòu)纺讲。 “0.8微米是一個平衡值擂仍，粒徑再增大些就會影響到電池壽命。”楊凱說熬甚。 這是從材料和電池結(jié)構(gòu)的重構(gòu)來降低電池成本逢渔，另一方面則針對勻漿、預(yù)涂層集流體乡括、環(huán)境控制肃廓、電池制作工序等環(huán)節(jié)進行技術(shù)重構(gòu)，降低電池成本诲泌。 “以前在電極材料的勻漿環(huán)節(jié)中盲赊，常規(guī)的攪拌工藝是先加溶劑，再烘干敷扫，能耗很高哀蘑。研發(fā)團隊將這道工藝改為高粘度攪拌工藝，減少溶劑使用量葵第。”楊凱說递礼。 在電極制作環(huán)節(jié)，項目團隊將進口預(yù)涂層集流體改為自主研發(fā)的預(yù)涂層集流體羹幸；在電池制作工序上脊髓，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(huán)境控制環(huán)節(jié)栅受，將環(huán)境濕度由10%放寬到30%将硝。“納米材料一般濕度要控制在10%以下恭朗，磷酸鐵鋰則為30%，我們用亞微米材料在30%的濕度環(huán)境下制作電池依疼，發(fā)現(xiàn)電池壽命幾乎沒受影響痰腮。”楊凱說，“經(jīng)過測試律罢，鈦酸鋰電池的循環(huán)壽命超過16000次膀值，電池成本下降了30％。” 據(jù)了解误辑，該項目的相關(guān)研究成果除了在“國家風(fēng)光儲輸示范工程”項目中得到應(yīng)用外沧踏，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(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也將發(fā)揮重要作用巾钉。
