“鋰電池由于產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)較好，且具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)，是眾多儲(chǔ)能技術(shù)中最具工業(yè)化推廣前景的技術(shù)之一。而就鋰電池材料的結(jié)構(gòu)和組成來(lái)看，磷酸鐵鋰材料具有安全、長(zhǎng)壽命和低成本的優(yōu)勢(shì)，因此磷酸鐵鋰電池體系在經(jīng)濟(jì)性和安全性上最有望滿足規(guī)模化儲(chǔ)能應(yīng)用的要求。”

——華中科技大學(xué)謝佳教授

2019年9月25日第二屆中國(guó)儲(chǔ)能西部論壇在青海舉辦。本次會(huì)議由中國(guó)能源研究會(huì)儲(chǔ)能專委會(huì)，青海大學(xué)，黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，國(guó)網(wǎng)青海省電力公司，青海能高新能源有限公司，華能清潔能源技術(shù)研究院，中關(guān)村產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟聯(lián)合會(huì)，中關(guān)村海東科技園等聯(lián)合主辦，青海省清潔能源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟承辦。北極星儲(chǔ)能網(wǎng)對(duì)論壇進(jìn)行全程直播。

華中科技大學(xué)謝佳教授在論壇做了題為“低成本長(zhǎng)壽命磷酸鐵鋰儲(chǔ)能系統(tǒng)”的報(bào)告。

華中科技大學(xué)謝佳教授：

尊敬的史局長(zhǎng)，尊敬的各位專家，領(lǐng)導(dǎo)，非常高興今天有機(jī)會(huì)來(lái)到這里，特別感謝組委會(huì)，特別是梅生偉老師的邀請(qǐng)，剛才大家已經(jīng)聽(tīng)到了非常精彩的梅老師的壓縮空氣儲(chǔ)能，以及對(duì)微電網(wǎng)的系統(tǒng)的工作。我今天的報(bào)告給大家介紹一下電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中的磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)，相信大家對(duì)這個(gè)體系也非常熟悉。

我的本科和博士都是學(xué)化學(xué)的，畢業(yè)后現(xiàn)在工業(yè)界工作了7年，在2015年獲得國(guó)家人才計(jì)劃支持，回到學(xué)校，加入了華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院。我們課題組主要做兩大方面的工作。一個(gè)方面，是延續(xù)我工業(yè)界的工作，因?yàn)槲乙郧耙恢弊隽姿徼F鋰材料和電池。回到學(xué)術(shù)界的第一件事，就是如何推廣磷酸鐵鋰儲(chǔ)能系統(tǒng)在規(guī)模化儲(chǔ)能中的應(yīng)用。另一方面，則是開(kāi)展基礎(chǔ)研究，主要是圍繞高比能、低成本和高安全的特性，開(kāi)發(fā)新型的電化學(xué)儲(chǔ)能材料和器件，主要包括基于成本低廉的天然高分子的儲(chǔ)能材料和器件，高比能鋰硫電池，在追求高比能的同時(shí)，一定不能忘了安全特性，因此我們開(kāi)發(fā)一些固態(tài)電池的關(guān)鍵材料和技術(shù)。感興趣的朋友可以到我們課題組的網(wǎng)站去查詢最新的進(jìn)展。

我的報(bào)告包括三個(gè)部分：首先簡(jiǎn)單介紹一下華科電氣學(xué)院的儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)，其次分析規(guī)模化儲(chǔ)能市場(chǎng)的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)，最后介紹磷酸鐵鋰儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)和發(fā)展思路。我們團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人是程時(shí)杰院士，程院士早在20年前就提出在電力系統(tǒng)發(fā)展規(guī)模化儲(chǔ)能，我們團(tuán)隊(duì)先后研究了物理儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能在規(guī)模化儲(chǔ)能中的應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)的課題組包括了研究?jī)?chǔ)能本體，儲(chǔ)能系統(tǒng)控制，儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用以及在含高比例可再生能源系統(tǒng)中的應(yīng)用等多個(gè)環(huán)節(jié)。團(tuán)隊(duì)依托華科的電氣學(xué)院和強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，打造了先進(jìn)電工材料與器件研究中心，主要是面向國(guó)家的重大需求開(kāi)發(fā)電工新材料和器件，開(kāi)展多學(xué)科交叉的研究以及應(yīng)用，儲(chǔ)能技術(shù)是其中的重點(diǎn)方向之一。

剛才面向規(guī)模化儲(chǔ)能的市場(chǎng)與需求，大家聽(tīng)到了很多重量級(jí)專家的發(fā)言和報(bào)告。能源是每個(gè)人生活不可或缺的。能源在獲取、傳輸與轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)與利用等多個(gè)環(huán)節(jié)都在不斷的追求低碳化、清潔化和高效化。電能是一種高品位能源，美國(guó)工程院的報(bào)告指出電能的廣泛應(yīng)用是人類20世紀(jì)最重要的成就。電能的優(yōu)勢(shì)非常明顯，在我們國(guó)家能源終端消費(fèi)中占比越來(lái)越高。但傳統(tǒng)電力的問(wèn)題也不可忽視，電一般是即發(fā)即用的，遠(yuǎn)距離安全傳輸有一定的挑戰(zhàn)，另外，它的時(shí)空分布特性不是很理想，商品的屬性也常常得不到有效的發(fā)揮，而儲(chǔ)能技術(shù)將為上述的問(wèn)題提供非常有效的技術(shù)支撐。這里列舉了很多可規(guī)模化儲(chǔ)能的技術(shù)圖表，沒(méi)有一種儲(chǔ)能技術(shù)能夠涵蓋整個(gè)圖。中間我想特別指出的是電化學(xué)儲(chǔ)能，所有這些綠色的板塊，它占的比例相當(dāng)大，而除了功率、能量特性以外，我們還要更多的關(guān)注它的壽命，安全，經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)維的方便性。我們國(guó)家對(duì)儲(chǔ)能的需求更是迫在眉睫。2017年全國(guó)用電量已達(dá)到6.3萬(wàn)億度，未來(lái)這個(gè)數(shù)子個(gè)還會(huì)不斷的增加，而可再生能源的裝機(jī)比例超過(guò)1/3，高比例可再生能源的供給相當(dāng)于未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間是必須要面對(duì)的挑戰(zhàn)，棄風(fēng)棄光的比例較高，有的地方報(bào)導(dǎo)沒(méi)有棄風(fēng)棄光，但實(shí)際上火電作出了很大的讓步。用戶側(cè)，隨著電動(dòng)汽車等新型電氣裝備的使用，用戶對(duì)用電的便捷、高效、多元要求越來(lái)越高，這些都需要儲(chǔ)能技術(shù)。而電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)由于其靈活高效，高比能、長(zhǎng)壽命、低成本的特點(diǎn)，越來(lái)越受到關(guān)注。發(fā)展高安全大容量的規(guī)模化電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)是未來(lái)的重要方向。在電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中心，大家最熟悉也是使用最多的就是鋰離子電池。自90年問(wèn)世以來(lái)，不管在民用，特種都得到了大規(guī)模推廣。目前已經(jīng)發(fā)展到大容量，規(guī)模化儲(chǔ)能，例如電動(dòng)汽車，儲(chǔ)能電站等等。鋰電池的產(chǎn)業(yè)成熟，成本低廉，最有望滿足規(guī)模化儲(chǔ)能的需求。但是目前的鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在功能性上絕大部分套用了電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在經(jīng)濟(jì)性和功能性上還有很大的提升空間。

此外，去年發(fā)生了非常多的儲(chǔ)能電站的火災(zāi)事故，使大家對(duì)儲(chǔ)能的應(yīng)用產(chǎn)生了一定的擔(dān)憂，特別是今年電網(wǎng)側(cè)的儲(chǔ)能應(yīng)用踩了一定的剎車。但我個(gè)人還是非常看好鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展。舉了一個(gè)類比，2018年儲(chǔ)能市場(chǎng)與2011年電動(dòng)汽車的市場(chǎng)形勢(shì)非常類似，都是高速發(fā)展中發(fā)生了大量安全事故，技術(shù)路線爭(zhēng)議較大，產(chǎn)品和企業(yè)的盈利能力較差，但未來(lái)市場(chǎng)的容量和增長(zhǎng)空間巨大，目前的技術(shù)積累和市場(chǎng)鋪墊必將在未來(lái)5-10年獲取巨大的收獲。從技術(shù)路線出發(fā)，應(yīng)該注重技術(shù)的安全性和經(jīng)濟(jì)性上，是否能滿足大規(guī)模儲(chǔ)能的需求，這里會(huì)重點(diǎn)介紹一下為什么我這么看好磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能術(shù)。

目前大容量的鋰電池中應(yīng)用最成熟的是三元和磷酸鐵鋰體系。而回到鋰電池的基本原理，主流的鋰離子電池的負(fù)極，隔膜和電解液都比較類似，在這種情況下，正極材料的結(jié)構(gòu)和組成，很大程度上決定了電池的特性。首先磷酸鐵鋰材料是橄欖石結(jié)構(gòu)，在充放電前后，結(jié)構(gòu)變化小，壽命長(zhǎng)，熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)好于其他正極材料。安全性和壽命上磷酸鐵鋰電池是最好的選擇。從組成上看看，磷酸鐵鋰主要是鐵和磷，三元材料含有鎳和鈷，因此規(guī)模化推廣，磷酸鐵鋰材料在經(jīng)濟(jì)性也是最好的。從簡(jiǎn)單的邏輯出發(fā)，如果使用鋰電池儲(chǔ)能，磷酸鐵鋰一定是首選。另外，從安全性角度分析，從我國(guó)的電動(dòng)汽車事故分析發(fā)現(xiàn)，采用三元電池體系的占60%，而用磷酸鐵鋰電池的只有11%。韓國(guó)三元電池技術(shù)非常成熟，但是采用三元電池的儲(chǔ)能電站發(fā)生了20多起事故，遠(yuǎn)超過(guò)中國(guó)。就在昨天又有一起起火事故。三元電池目前都還沒(méi)有成熟使用在電動(dòng)大巴上，為什么可以用在規(guī)模更大的儲(chǔ)能電站上。所以，采用磷酸鐵鋰的儲(chǔ)能電池路線是從經(jīng)濟(jì)性和安全性層面出發(fā)最好的選擇。

盡管如此，就磷酸鐵鋰儲(chǔ)能系統(tǒng)，還需要進(jìn)一步去提高它的經(jīng)濟(jì)性和安全性。首先我覺(jué)得要去提高電極的比能量，因?yàn)楦弑饶艿碾姌O可以從提高比能量的角度降低成本，另外需要考慮材料的再生利用，降低材料成本。而安全性上主要是從提高電池本征安全性出發(fā)。

例如，我們課題組和和美國(guó)的馬里蘭大學(xué)合作開(kāi)發(fā)的具有低孔彎曲度的直孔電極，這個(gè)概念將電極厚度提升了10倍，單位面載量比商業(yè)化鋰電池正極提高3倍。另一方面，石墨負(fù)極通過(guò)預(yù)鋰化技術(shù)可以直接提高7-10%容量，我們課題組開(kāi)發(fā)的對(duì)潮濕空氣的金屬鋰技術(shù)就可以作為預(yù)鋰化材料使用。通過(guò)一個(gè)很簡(jiǎn)易的方法和廉價(jià)的材料，可以快速在金屬鋰表面形成保護(hù)膜，不僅有利于鋰的均勻沉積，還大幅度提高對(duì)水分的穩(wěn)定性，在80%濕度的空氣中暴露3個(gè)小時(shí)后再裝到高比能電池中，仍可以穩(wěn)定循環(huán)。這兩個(gè)技術(shù)結(jié)合，有望使能量密度再提升到30%以上，成本可以下降20%以上，對(duì)規(guī)模化儲(chǔ)能還是很可觀的。

另外提高電池本征安全性可以從阻斷電池?zé)崾Э兀柚闺姵啬＝M的熱失控?cái)U(kuò)展以及系統(tǒng)層面的防護(hù)預(yù)警出發(fā)，我相信這些技術(shù)結(jié)合新型滅火技術(shù)能較好的解決規(guī)模化儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性問(wèn)題。此外在電能變化裝置上和電力電子技術(shù)上也有很大的提升空間。綜合來(lái)看，我們今年通過(guò)和產(chǎn)業(yè)界的合作，也開(kāi)展了一些應(yīng)用和成果轉(zhuǎn)化的工作。為儲(chǔ)能定制開(kāi)發(fā)了能量密度大于150Wh/kg，長(zhǎng)壽命和低成本的磷酸鐵鋰電池和模組。開(kāi)發(fā)的集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)價(jià)格已經(jīng)低于1500元/kWh，2年內(nèi)有望降到1000元/kWh。

總的來(lái)說(shuō)，電化學(xué)儲(chǔ)能是儲(chǔ)能技術(shù)中的一種，由于產(chǎn)業(yè)成熟度高，在規(guī)模化儲(chǔ)能市場(chǎng)有較好的應(yīng)用前景，電力系統(tǒng)因?yàn)榇笠?guī)模的可再生能源的接入，也正在經(jīng)歷“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”多層面的結(jié)構(gòu)性變革。我非常看好中國(guó)在綜合能源系統(tǒng)上的發(fā)展，需要強(qiáng)調(diào)的是，我們進(jìn)入到了能源系統(tǒng)變革的領(lǐng)域，需要完全走自主創(chuàng)新的路線，我們國(guó)家是能源消費(fèi)大國(guó)，我相信不久的未來(lái)，也必將考我們自己的努力，成為能源創(chuàng)新強(qiáng)國(guó)。謝謝大家！