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業務范圍:科研成果轉讓、技術難題的攻關、現場指導、新工藝的采用和推廣,蓄電池產品生產許可證企業生產條件審查的咨詢等。

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遠東電池10月獲約2.88億元電池訂單

11月1日,遠東股份發布公告稱,10月,公司收到子公司中標/簽約千萬元以上合同訂單合計為人民幣9.98億元。其中,遠東股份子公司遠東電池10月共獲電池訂單約2.88億元。公告顯示,遠東電池10月份在南亞市場獲得鋰電池訂單1.4億元,歐洲電動工具鋰電池訂單1.16億元;國內鋰電池訂單3200萬元。遠東電池表示,公司為智能纜網、智能電池、智慧機場龍頭/領軍企業,上述合同將對公司未來經營業績產生積極影響。值得注意的是,9月份遠東電池已獲歐洲市場訂單約1.53億元;國內鋰電池訂單2380萬元。9月,遠東股份智能電池板塊訂單超過2億元。遠東電池有江西和江蘇兩大產業基地據了解,遠東電池成立于2009年,是一家專業從事鋰離子電池、動力電池組研發、生產、銷售及售后服務于一體的國家高新技術企業,產品應用領域有二輪車電動工具市場,3C數碼小家電市場,汽車動力電池組市場等。公開資料顯示,遠東電池擁有江西和江蘇兩大產業基地。其中,江西基地總投資40億元,專業從事圓柱鋰離子電池、動力電池組研發、生產、銷售及服務,現擁有產能6GWh,其中21700電池日產40萬支、18650電池日產120萬支);江蘇基地總投資66.8億元,總產能規劃12GWh,產品分為NCM三元及磷酸鐵鋰兩個系列,目前1GWh已經投產,著重深耕鋰離子軟包電池研發與制造。遠東股份前三季度實現凈利潤4.23億元遠東股份創建于1985年,目前已布局智能纜網、智慧機場、智慧電池、智慧能源四大業務板塊。到2025年,該集團目標實現年營業收入1200億元,年凈利潤超63億元。10月22日晚,遠東股份發布2021年三季報。報告顯示,公司前三季度實現營業收入149.36億元,同比增長6.48%;實現歸母凈利潤4.23億元,同比增長142.38%,均創同期新高。遠東股份表示,前三季度凈利潤同比大幅增長的主要原因系本年大力拓展智能電池業務,利潤同比去年上升,以及公司加強經營風險管控,壞賬金額減少所致。據了解,該報告期,遠東股份智能電池板塊主要包括鋰電池和鋰電銅箔業務。報告期內,遠東股份鋰電池業務實現營業收入4.44億元,同比增長79.21%,凈利潤-2.74億元,同比減虧1.03億元;前三季度中標/簽約千萬元以上合同訂單為13.18億元,同比增長961.81%。其中,遠東股份獲得小牛電動為期三年1.5億支的18650鋰電芯訂單預計產生營收不低于9億元,截至報告期末小牛電動的訂單已完成發貨2331.82萬支,累計金額1.36億元。在儲能市場,遠東股份取得突破性進展,獲得歐洲戶用儲能4336.20萬元訂單,正式切入歐洲市場。在電動工具市場,遠東股份繼續深化與小牛、納恩博、博力威等輕出行領域業務合作,積極開發一線品牌的電動工具客戶,獲歐洲車企認可,實現1.1億元訂單。報告期內,遠東股份鋰電銅箔業務實現營業收入4.58億元,同比增長115.91%,凈利潤0.50億元,同比增長2947%。目前公司供貨寧德時代等客戶,加快產能爬坡釋放及鋰電客戶拓展。此外,10月13日上午,由四川宜賓三江新區管委會、宜賓市南溪區人民政府、遠東控股集團有限公司聯合舉辦的遠東智慧能源股份有限公司宜賓智能產業園項目啟動儀式。據介紹,該產業園項目占地面積991畝,規劃總建筑面積約40萬平米,總投資60億元,園區內設“新基建用高端電線電纜研發生產基地”和“新能源車動力電池用高精銅箔研發生產基地”,項目將建設形成年產高精度銅箔5萬噸等。

作者:沈陽蓄電池研究所新聞中心 詳情
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美國能源部提供2億美元開發先進電池,建立“鋰橋”聯盟加強供應鏈

美國能源部(DOE)宣布,將為26個新的國家實驗室項目提供2.09億美元的資金,重點支持電動汽車、先進電池和聯網汽車。美國能源部認為,先進的鋰基電池在21世紀的技術中扮演著不可或缺的角色,如電動汽車、固定電網存儲和國防應用,將是確保美國清潔能源未來的關鍵。此外,能源部的阿貢國家實驗室宣布成立“鋰橋”(Li Bridge)聯盟,以公私合作伙伴關系彌合美國國內鋰電池供應鏈的缺口。這些舉措都是為了使美國成為電動汽車和電池創新領域的全球領導者,降低碳排放污染,并創造高質量的就業機會。美國目前嚴重依賴從國外進口先進的電池組件,這使美國面臨著供應鏈脆弱性,有可能破壞這些技術的可用性和成本。美國能源部宣布的26個國家實驗室項目將涉及四個關鍵技術領域:——顯著降低下一代電池技術的成本和尺寸——推進極快充電,使電池在15分鐘內充滿電——緩解全國數千萬輛充電車輛對電網的潛在影響——優化合作車對車通信和控制,減少能源使用和排放由美國能源部阿貢國家實驗室領導的“鋰橋”項目將與整個國家實驗室聯合體合作,以加速發展一個穩健、安全的鋰基電池國內供應鏈,使美國在全球電池價值鏈中擁有長期的競爭力。

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比亞迪時隔9個月再次巨額融資 將加大動力電池布局

財聯社(上海,編輯 阿榮)訊,隨著全球汽車電動化進行,作為全球新能源汽車行業先行者之一的比亞迪憑借長期以來的技術積累和前瞻布局,已成為投資者關注目標。比亞迪股份(01211.HK)于周一早晨發布公告稱,該公司發行5000萬股H股,每股配售股份的配售價276.0港元,較上周五收盤價296.6港元折價近6.9%。公告稱,如果所發行股份全部配售,預計所籌金額約138億港元,凈融資137.44億港元。這是公司繼1月融資299.25億港元后,再一次巨額融資。根據比亞迪公告,該公司和配售代理于2021年10月29日(收市時間后)訂立了配售協議,本公司將發行本公司注冊資本中每股面值人民幣1元的5000萬股新H股。每股配售股份的配售價276.0港元。至于募資用途,比亞迪的表述與1月融資時相同,即其資金將擬用作集團補充營運資金、償還帶息債務、研發投入以及一般企業用途。不過比亞迪同時表示,此次配售將為該公司在業務機會中提供優化資本結構和財務結構的良機,亦通過吸引若干高品質機構投資者參與配售,進一步擴大本公司股東隊伍。比亞迪在公告中指出,電動化及智能化是汽車行業未來發展方向,公司將通過技術革新實現新能源汽車對燃油汽車的加速替代,并通過汽車智能化領域的軟硬件布局,實現傳統汽車向智能汽車的飛躍。憑借動力電池領域的研發積累、工藝優勢及開創性的刀片電池技術,公司將持續加大動力電池的產能布局,推動中國動力電池向全球汽車廠商的輸出。此外,根據比亞迪近日發布三季度報,第三季度營業收入為543.07億元,同比增長21.98%;歸母凈利潤為12.70億元,同比下降27.5%;扣非后凈利為5.18億元,較上年同期下降67%。對于比亞迪的表現,摩根大通還是看好該公司的發展。根據該行發布最新報告,該公司受到受到汽車銷量穩健增長以及產品組合推動,公司第三季盈利略高于預期,盈利表現穩固,而年初至今,比亞迪股價已上漲49%,跑贏大多數代工生產商和恒生中國企業指數,加上其潛在的正面催化劑,包括其半導體子公司的IPO等。因此摩根大通給予比亞迪股份(01211.HK)超配評級,目標價由350港元上調至400港元。

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磷酸鐵鋰電池回潮引人關注

近日,奔馳汽車公司宣布將在旗下入門級新能源汽車中轉向使用價格更便宜的磷酸鐵鋰電池,以防止入門級車型中使用的部分金屬原材料價格飆升所帶來的成本問題,這再次引起了業內對動力電池技術路線的關注。事實上,今年以來,動力電池產業發生了變化,磷酸鐵鋰電池對三元鋰電池的反超成為業內熱議的話題。根據中國汽車動力電池產業創新聯盟公布的產業數據,5月和7月開始,中國市場上磷酸鐵鋰電池產量和裝車量開始超過三元鋰電池。9月份,無論是產量還是裝車輛,磷酸鐵鋰電池都高于三元鋰電池。前三季度,磷酸鐵鋰電池增速持續超過三元鋰電池。而在去年,三元鋰電池還占據著市場的絕對主流。業內人士認為,造成磷酸鐵鋰電池回潮的主要誘因是主機廠降低成本。由于補貼逐漸退坡并將最終退出,而“雙碳”目標倒逼車企加大電動汽車銷售力度,主機廠普遍面臨降低電動汽車成本的壓力,以取得競爭優勢。從價格來看,三元鋰電池所使用的材料鎳、鈷、錳酸鋰在全球儲量低,加上新冠肺炎疫情帶來的不確定性,導致其價格不斷攀升;而磷礦的儲量較為豐富,這讓磷酸鐵鋰電池具有了一定的成本優勢。據了解,在奔馳轉向使用磷酸鐵鋰電池之前,特斯拉、蔚來、小鵬、廣汽埃安等傳統車企的標準續航或者低續航車型都開始采用磷酸鐵鋰電池,比亞迪今年4月宣布旗下電動汽車將全部采用磷酸鐵鋰電池。另一方面,磷酸鐵鋰電池技術過去幾年也有提升,再加上電池包的內部結構因技術創新得到了優化,使系統能量密度出現較大幅度的提升,在一定程度上彌補它在續航里程方面的短板。但不少業內人士也同時提出,雖然隨著近年來技術的不斷改進提升,磷酸鐵鋰電池使用的范圍得到了拓展,但其能量密度天花板依然較低,對車輛的續航里程構成限制,目前來看,三元鋰電仍是高端車型主流技術路線。比如,在不久前舉行的2021全球新能源與智能汽車供應鏈創新大會上,中國電子科技集團公司第十八研究所研究員肖成偉介紹,從2020年純電動乘用車電池系統能量分布來看,140-160Wh/kg中很大一部分是磷酸鐵鋰電池,160Wh/kg以上以三元鋰電池為主;目前低成本的純電動車以磷酸鐵鋰電池為主,高性能車以三元鋰電池為主,也有一些車企在探索將三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池混用的方向。這表明,在一段時期內,磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池將繼續作為動力電池的兩條主要技術路線存在,并應用在不同的車型上,如果考慮到電動汽車消費升級和車企紛紛發力高端車市場的背景,三元鋰電池仍有較大發展空間。

作者: 岳倩 詳情
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儲能鈉電池技術的挑戰與前景

一、前言2017 年 10 月,國家發展和改革委員會、國家能源局等五部委聯合出臺了《關于促進我國儲能技術與產業發展的指導意見》,指出加快儲能技術與產業發展,對于構建“清潔低碳、安全高效”的現代能源產業體系具有重要的戰略意義。這一政策的出臺直接推動了“十三五”期間我國儲能產業的蓬勃發展。隨著“十四五”期間“雙碳”目標的提出,2021 年 4 月,國家發展和改革委員會、國家能源局再次聯合發布了第二部針對儲能產業的國家級綜合性政策文件《關于加快推動新型儲能發展的指導意見(征求意見稿)》,明確提出到 2025 年,實現 3000萬kW 的儲能目標,實現儲能跨越式發展;到 2030 年,實現新型儲能全面市場化發展。《關于加快推動新型儲能發展的指導意見(征求意見稿)》還指出,儲能技術要以需求為向導,堅持多元化發展,這為儲能技術的發展明確了目標和方向。目前,儲能系統從發電側、輸配電側到用戶側的一系列支撐服務逐漸成為彈性和高效電網的重要組成部分。較小型的分布式儲能系統今后也將更廣泛地在家庭、企業和通信基站中推廣應用。我國儲能呈現多元化發展的良好態勢:抽水蓄能發展迅速,鋰離子電池儲能技術成熟度飛速提高,壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導儲能和超級電容、鈉硫電池、液流電池、鉛蓄電池等儲能技術研發應用加速,儲氫、儲熱、儲冷技術也取得了一定進展。其中,電化學儲能(或二次電池儲能)技術相對于水電、火電等常規功率調節手段具有較大技術優勢:響應時間為毫秒級,跟蹤負荷變化能力強,便于精確控制;對實施的地理環境要求較低;具有削峰填谷的雙向調節能力。2021 年 4 月,中關村儲能產業技術聯盟(CNESA)發布的《儲能產業研究白皮書 2021》顯示,截至 2020 年年底,中國已投運儲能項目累計裝機規模 35.6 GW,占全球市場總規模的 18.6%,同比增長 9.8%,其中電化學儲能的累計裝機規模僅次于抽水蓄能,位列第二。目前,各種電化學儲能技術的基本特征和成熟度各不相同,每一種技術都有不同的數量在全球不同的地點進行部署。包括鋰離子電池、鈉硫電池、鈉 – 金屬氯化物電池、液流電池和鉛酸電池在內的 5 類電池技術已經被認為是較可靠的能源供應體系,在全球范圍內有兆瓦級的裝機規模。2017 年以來,鋰離子電池急劇發展,占據了中國和美國儲能市場絕大部分份額,技術成熟度不斷提高。隨著越來越多鋰電儲能系統的部署,安全事故的風險也隨之增加,尤其是電池熱失控導致的安全事故頻發引起了人們的重視和擔憂。2019 年,國家電網有限公司發布《關于促進電化學儲能健康有序發展的指導意見》,意見強調要嚴守儲能安全紅線。不僅如此,鋰等元素昂貴,地殼中含量少且分布極不均勻,對于長期規模化應用而言可能會成為一個重要問題。鈉元素和鋰元素有相似的物理化學特性,且在地殼中儲量豐富,資源分布廣泛,因此發展針對規模化儲能應用的儲能鈉電池技術具有重要的戰略意義,近年來得到研究者的廣泛關注。已經在儲能領域規模化應用的鈉電池體系主要包括兩種,即基于固體電解質體系的高溫鈉硫電池和鈉 – 金屬氯化物電池體系。它們的負極活性物質均為金屬鈉,更準確地被稱為鈉電池。鈉離子電池通常指有機體系鈉離子電池,由于其技術水平提升較快,成為極有前景的儲能電池之一。目前全球從事鈉離子電池工程化的公司已有 20 家以上。最近,中國科學院物理研究所與中科海鈉科技有限責任公司聯合推出的 1 MWh 鈉離子電池光儲充智能微網系統在山西太原投入運行。寧德時代新能源科技有限公司(CATL)近期也發布了他們的第一代鈉離子電池,能量密度達到 160 Wh/kg。然而鈉離子電池尚未在儲能產業上大規模推廣,其應用優勢有待驗證。水系鈉離子電池具有環保、低成本、制造方便、安全性好、易回收等優點,但是存在電壓窗口較低、電極材料副反應等嚴重影響壽命的問題。因此,本文主要針對大規模儲能用安全性改善的鈉硫電池和鈉 – 金屬氯化物電池儲能鈉電池體系進行綜述和研究。二、儲能鈉電池技術概述(一)鈉硫電池鈉硫電池是一種基于固體電解質的高溫二次電池,它以鈉作為陽極,以滲入碳氈中的硫作為陰極,傳導鈉離子的 β"- 氧化鋁陶瓷在中間同時起隔膜和電解質的雙重作用 。它的電池形式為(–)Na(l) | β"-Al2O3 |S/Na2Sx(l)|C(+),其中 x=3~5,基本的電池反應是:2Na+xS ←→ Na2Sx。電池的工作溫度控制在 300~350 ℃,此時鈉與硫均呈液態,β"- 氧化鋁具有高的離子電導率(~0.2 S/cm),電池具有快速的充放電反應動力學。鈉硫電池以 Na2S3 為最終產物的正極理論比容量約為 558 mAh·g–1,在 350 ℃的工作溫度下具有 2.08 V 的開路電壓。鈉硫電池一般設計為中心負極的管式結構,即鈉被裝載在陶瓷電解質管中形成負極。電池由鈉負極、鈉極安全管、固體電解質(一般為 β"- 氧化鋁)及其封接件、硫(或多硫化鈉)正極、硫極導電網絡(一般為碳氈)、集流體和外殼等部分組成。通常固體電解質陶瓷管一端開口一端封閉,其開口端通過熔融硼硅酸鹽玻璃與絕緣陶瓷進行密封,正負極終端與絕緣陶瓷之間通過熱壓鋁環進行密封。鈉硫電池擁有許多優良的特性:①比能量高。目前,鈉硫電池的實際能量密度已達到 240 Wh/kg 和 390 Wh/L 以上,與三元鋰離子電池相當。②功率密度高。用于儲能的鈉硫單體電池功率可達到 120 W 以上,形成模塊后,模塊功率通常達到數十千瓦,可直接用于儲能。③長壽命。電池可滿充滿放循環 4500 次以上,壽命為 10~15 年。④庫倫效率高。由于采用固體電解質,電池幾乎沒有自放電,充放電效率約為 100%。⑤環境適應性好。由于電池通過保溫箱恒溫運行,因此環境溫度適應范圍廣,通常為–40~60℃。⑥電池運行無污染。電池采用全密封結構,運行中無振動、無噪聲,沒有氣體放出。⑦電池原料成本低廉,無資源爭奪隱患,結構簡單,維護方便。(二)鈉 – 金屬氯化物電池鈉 – 金屬氯化物電池(也稱 ZEBRA 電池)可與鈉硫電池統稱為鈉-beta 二次電池,其結構與鈉硫電池類似,負極是液態的金屬鈉,β"-Al2O3 陶瓷作為固態電解質,不同的是,ZEBRA 電池工作溫度略低,為 270~320℃,正極部分由液態的四氯鋁酸鈉(NaAlCl4)輔助電解液與固態的金屬氯化物組成,其中氯化鎳的應用研究最為廣泛。鈉 – 氯化鎳電池的基本電池反應是:2Na+NiCl2 ←→ 2NaCl+Ni, 300 ℃下開路電壓為 2.58 V。與鈉硫電池類似,鈉 – 金屬氯化物電池同樣具有長壽命、庫侖效率高、環境適應性好、無污染運行等特點。鈉 – 金屬氯化物電池的實際比能量偏低,為 110~140 Wh/kg,但仍是鉛酸電池的 3 倍左右,而且還具有其他一些值得關注的優良特性:①高安全性。鈉 – 金屬氯化物電池具有短路溫和放熱和過充過放可逆等特點,確保電池在電氣和機械濫用時的高安全性。②無鈉組裝。電池以放電態組裝,僅在正極腔室裝填金屬粉體、氯化鈉和電解液,制造過程安全性高。③高電壓。開路電壓較鈉硫電池提高 20% 以上。④維護成本低。電池內部短路時特有的低電阻損壞模式大大降低了系統的維護成本。(三)儲能鈉電池生產制造的核心技術高溫鈉硫電池電芯的核心技術包括了 β"- 氧化鋁精細陶瓷的燒制、電池密封技術、負極潤濕保護管設計、正極外殼防腐蝕和正負極裝填技術等。首先,β"- 氧化鋁精細陶瓷的質量和一致性深刻影響電池的電化學性能和安全特性,是最為關鍵的一環。其次,任何一個密封部件的損壞都會導致正負極材料的蒸汽直接接觸而發生反應,因此電池密封技術成為鈉硫電池的核心技術之一。再次,熔融硫和多硫化鈉對金屬具有強腐蝕性,因此包括作為正極集流體的外殼在內的接液部件的防腐蝕技術也是鈉硫電池實用化的關鍵。最后,電池正負極的有效裝填及其與固體電解質之間界面的潤濕層設計是電池高性能運行的必備要素。相對于鈉硫電池,鈉 – 氯化鎳電池電芯無須對外殼進行防腐蝕處理,但是正極長循環穩定技術成為電池的核心技術之一。高溫鈉電池模組的核心技術包括了絕熱保溫箱技術、模組熱管理技術、模組內 / 間阻燃技術以及電池管理系統與保護電路設計等。電池的高溫運行環境對電池保溫箱提出了較高的要求。絕熱保溫箱技術一方面需要保證電池在待機時的低電耗,另一方面還要保證保溫箱輕量化,以提升電池整體的能量密度。由于電池放電模式下的化學反應為放熱反應,此時模塊內部將出現 22~35 ℃的升溫,而充電過程中溫度會下降到待機水平。長時間的升降溫循環不僅考驗電池密封材料的熱機械性能,還對模塊的熱管理提出了快速響應的要求,否則可能造成溫度無法及時復原。另外,模組內 / 間防火技術以及電池管理系統與保護電路設計對電池的長期安全運行也具有重要意義。三、儲能鈉電池的應用需求儲能鈉電池可針對極端環境(如高熱、高寒、高鹽腐蝕等)下的風能、太陽能等可再生能源發電企業配套大容量、安全可靠的儲能系統;為載人潛艇、陸軍戰車、水下平臺等提供動力,服務國防科技事業;為第五代移動通信技術(5G)通信基站、數據中心等室內用電大戶提供備用電源,為國家的節能減排事業及“碳中和”戰略做出貢獻。儲能鈉電池的應用領域為鋰離子電池技術提供有益補充,其主要的應用場景如下。(一)極端環境應用隨著全球氣候變暖,國內外 50 ℃以上的極端高溫天氣頻繁,亞熱帶和熱帶地區更是如此。電池的高溫運行需求逐漸受到重視。油氣勘探的井下溫度可超過 170 ℃,能耐受如此高溫的電池很少,目前井下儀器的電能供應采用的是鋰一次電池。軍用電池需要適應多種惡劣的應用環境,被要求在 –50~70 ℃的溫度范圍內正常工作。作為下一代無線通信體系的重要組成,高空平臺通信系統是位于平流層的高空平臺向上連接衛星、向下連接低空無人機和地面節點,作為空中基站或中繼節點,提供快速、穩定、靈活的應急通信系統。高空平臺通信系統運載器是一個保持在 20 km 高度并停留 5 年時間的靜止平臺。運載器所需能源由太陽能電池板提供,對其所搭載的儲能電池要求高比能(>110 Wh/ kg)、性能的高可靠性和穩定性(>5 年壽命和性能降低 <10%)和超低溫運行(–55℃)。另外,海島、近海等高鹽霧環境也限制了大量電池體系的應用。研究表明,鋰離子電池在無人機上的應用受到高低溫環境的極大限制。電池正常使用溫度范圍是 –15~50 ℃。低溫條件下,鋰離子電池面臨的鋰枝晶問題和離子擴散遲緩問題會更加嚴重,高溫條件則會加速鋰離子電池陰極固液界面的副反應和電解液退化,引發嚴重的熱失控。事實上,傳統的液體電解質基二次電池難以滿足極端高低溫應用需求。具有較高的能量密度、10 年以上運行壽命和對環境溫度不敏感等特性的固體電解質基鈉硫電池和鈉 – 氯化鎳電池則被證明非常適合極端高低溫的應用場景。在熱帶沙漠氣候的阿拉伯聯合酋長國,鈉硫電池被認為是比鋰離子電池更優異的儲能技術。在日本,鈉硫電池被選擇成為火箭發射場的備用電源。ZEBRA 電池作為高低溫下可靠耐用的二次電池,目前已成為井下設備電源的優選方案,同時也針對高空平臺通信系統運載器開展應用示范。(二)高安全應用高安全應用場景指發生安全事故時難以止損或事故代價大的應用場景。近年來,隨著大數據、物聯網、云計算等技術的發展,大型數據中心的建設速度激增,運營規模也越來越大。然而,一方面,數據中心需要大量的電能來維持正常運營,電力成本成為數據中心的重要成本組成。通過智能微網的建設來降低能耗已成為各大數據中心運營公司降本增效的重要途徑。另一方面,數據中心需要配備非常安全可靠的備用電源以應對不時之需。大型數據中心等室內儲能或備用電源高安全應用場景對其儲能系統的安全性提出了更高的要求。交通運輸領域的危化品運輸車、地下裝載機等交通工具以及水下應用領域的載人潛水器、深海平臺用電源等也對電源安全性提出了更高的要求。ZEBRA 電池作為一種電化學本征安全的電池體系,在高安全要求的領域具有其獨特優勢。它曾被選為英國和北約 LR7 型深潛救生艇的動力電源。2013 年,通用電氣有限公司(GE)生產的 ZEBRA 電池成功地為 Coal River Energy 公司位于美國西弗吉尼亞州明礬溪的采礦鏟車提供動力支撐。在儲能安全越來越受重視的今天,ZEBRA 電池體系將會有更大的發展空間。(三)長時儲能長時電化學儲能能夠更加靈活地以半天甚至幾天的時間跨度來管理風能和太陽能的間歇性,將可再生能源轉化為全天候資源,為無碳電網鋪平道路。隨著可再生能源份額的增長,更大的挑戰將是在數周或數月的時間跨度上消除可再生能源產量的可變性。發展長時儲能技術勢在必行。近年來,鋰離子電池在新型儲能建設中占據絕對主導地位,但它們的供電持續時間很少能超過 4 h。雖然鋰離子電池在技術上可以實現更長時間的放電,但是出于資源稀缺和安全性的考慮,將它用于長時儲能的成本通常高于它的價值。鈉硫電池已在全球范圍內提供容量超過 540 MW/3780 MWh 的儲能系統,顯示了有效的調峰、負載均衡和節能減排的能力,被認為是最有效的額定輸出 6 h 以上的長時電化學儲能電池之一。同時,鈉硫電池具有模塊化擴展的特性,有潛力提供 8 h 以上或更長時的供電系統。意大利非凡蓄電池公司(FIAMM)生產的 ZEBRA 電池在歐洲的意大利、法國以及南美洲的圭亞那等地區部署了多個兆瓦級的儲能電站。這些電站的運行情況證實用于大規模電化學儲能的高安全性鈉 – 氯化鎳電池技術已經成熟。四、儲能鈉電池的國內外發展與應用現狀(一)鈉硫電池在國內外的發展與應用現狀雖然鈉硫電池早期在國內外航空航天和電動汽車等領域開展應用示范,但是鈉硫電池的儲能商業化運作始于 1983 年日本礙子株式會社(NGK 公司)和東京電力公司的合作,開發用于靜態能量存儲的鈉硫電池儲能系統。2002 年,NGK 公司正式量產鈉硫電池,并通過東京電力公司開發儲能系統投入商業運行,目前在全球運行了超過 200 個儲能電站項目,4 GWh 以上的鈉硫電池儲能系統。然而, 2011 年 9 月,東京電力公司為三菱材料株式會社筑波廠安裝的鈉硫電池(NGK 生產)系統發生火災,這一事件在一定程度上造成了業界對于鈉硫電池安全性的擔憂。其后,NGK 先對正在運行的鈉硫電池電站的模組和系統進行安全隱患維護,并對新生產的電池在電芯層面和模塊層面同時采取了多種提高安全保障的新措施。通過采取一系列應對舉措后,從 2013 年開始,NGK 生產的鈉硫電池在日本、阿聯酋和歐洲等國家和地區持續有大型儲能項目上線。2016 年 3 月,NGK 公司和九州電力株式會社共同推出的 50 MW/300 MWh 鈉硫電池儲能系統改善電力供需平衡的示范項目開始運行,是當時全球最大的大容量儲能電站(見圖 1a)。2019 年,NGK 在阿布扎比酋長國完成的一個項目使用了 108 MW/648 MWh 的鈉硫電池儲能系統,持續放電時間達 6 h。圖 1b 顯示的是應用于意大利南部高壓電網的 34.8 MW 鈉硫電池儲能電站的局部照片。在意大利,鈉硫電池的電芯和模塊經過了嚴謹的風險評估,包括內源性短路和外源性火災、地震、洪水、直接和間接閃電、蓄意破壞、高空墜落等濫用場景。評估結果顯示,經過安全性提升的鈉硫電池技術具有較高的安全可靠性。圖 1 鈉硫電池儲能系統 / 電站的商業應用實例近些年,鈉硫電池技術在日本以外的其他國家也得到了應用研究和推廣,包括美國、中國、韓國、瑞士等。2006 年,由中國科學院上海硅酸鹽研究所(SICCAS)與上海電力公司合作開展用于大規模儲能應用的鈉硫電池研究。SICCAS 開發的 30 Ah 和 650 Ah 兩種規格鈉硫單體電池具有良好的循環穩定性,壽命超過 1200 次。此后,一條年產能 2 MW 的 650 Ah 單電池中試生產線建成。2010 年上海世界博覽會期間,中國科學院上海硅酸鹽研究所和上海電力公司合作,實現了 100 kW/800 kW 鈉硫電池儲能系統的并網運行(見圖 1c)。2011 年 10 月,上海電氣集團與中科院上海硅酸鹽研究所以及上海電力公司簽訂合資合同,成立上海電氣鈉硫儲能技術有限公司,開始鈉硫電池的產業化開發。2015 年,上海鈉硫電池儲能技術有限公司在崇明島風電場實現了兆瓦時級的商業應用示范(見圖 1d)。中科院固體物理研究所近年也突破了 β-Al2O3 陶瓷的制備技術,掌握了陶瓷燒結、陶瓷玻璃封接、金屬與陶瓷連接等核心技術,目前處于鈉硫電池組研制的中試階段。除此之外,韓國浦項產業科學研究院(RIST)針對平板和管式鈉硫電池進行較為系統的工程化開發。RIST 從 2005 年開始申請鈉硫電池材料與制造的專利,目前持有 53 項以上相關有效專利。(二)鈉 – 金屬氯化物電池在國內外的發展與應用現狀美國通用電氣有限公司于 2007 年購買了英國 beta R & D 公司的 ZEBRA 電池技術,建立 “Durathon”電池品牌,經過 11 年研發,投入資金超過 4 億美元。早期主要面向車用,圖 2a 為裝載 Durathon 動力電池的礦車。目前 GE 在全球多個國家和地區的電網和電信領域運行了總計 15 MW 以上、30 余個 ZEBRA 電池儲能項目。圖 2d 分別為 Durathon 擴展儲能系統。2017年1月,超威電池與 GE 開展技術合作,合資成立浙江綠能(安力)能源有限公司,進軍國內儲能電池市場。2010年,與 GE 擁有同一技術源頭的 MESDEA 公司和 FIAMM 成立新公司 FZ SONICK SA,并推出了 SONICK 商標的 ZEBRA 電池,主要應用在電動車、備用電源等領域。2015 年,FZ SONICK 的 ZEBRA 電池儲能解決方案被德國航空和運輸領域的跨國公司龐巴迪公司選中,為 Innovia Monorail 300 平臺列車項目提供備用電源服務。圖 2b 和圖 2e 分別為 SONICK 電池應用于微網儲能及其儲能單元的情況。FZ SONICK 還為薩沃納大學校園提供了智能電網儲能系統。從2016年開始,德國弗勞恩霍夫陶瓷技術與系統研究所(IKTS)也在 ZEBRA 電池上持續投入。2019年3月,歐洲儲能展會上,IKTS 展示其最新開發的“Cerenergy” 陶瓷鈉 – 氯化鎳高溫電池。該型號的鈉鎳電池容量為5kWh,由 20 個單電池組成,每千瓦時成本將低于 100 歐元。2015年11月,作為 SunShot 聚光太陽能發電阿波羅計劃的子計劃,美國能源部提供猶他州鹽湖城 Ceramatec 公司和喬治亞技術研究所總計 234.878 萬美元經費支持,重點開發聚光太陽能高溫熔鹽鈉鹽蓄電模塊,預計實現 92% 以上的蓄電效率目標。同時,美國西北太平洋國家實驗室在美國能源部支持下持續開展平板型鈉鹽電池的產業化研發。在國內,從2014 年開始,中國科學院上海硅酸鹽研究所在前期鈉硫電池和鈉鎳電池的研發基礎上,開展鈉鎳電池產業化的推進工作。2017 年,中國科學院上海硅酸鹽研究所參股成立上海奧能瑞拉能源科技有限公司,開展鈉鎳電池產業化開發。如圖 2c 和圖 2f,目前該公司已完成年產100MWh 的鈉鎳電池工廠的全線調試,進入第一代產品的試生產階段。圖 2 鈉 - 金屬氯化物電池儲能產品及其商業應用實例五、我國儲能鈉電池發展面臨的挑戰儲能鈉電池在電力系統和電信系統具有極大的應用優勢,并得到全球儲能市場的普遍認可,但是由于其技術難度大,目前儲能鈉電池的成熟技術在全球范圍內僅由日本 NGK、美國 GE、意大利 FIAMM 等幾家企業掌握,我國儲能鈉電池的發展還面臨以下諸多挑戰。(一)儲能鈉電池技術幾乎被國外壟斷近年來,中國科學院上海硅酸鹽研究所在儲能鈉電池的相關領域開展了技術革新和示范應用,基本掌握了鈉硫電池和鈉鎳電池的全套技術,形成了具有自主知識產權的儲能鈉電池完整技術路線,但是總體而言,我國自主知識產權儲能鈉電池的技術成熟度不高,規模化生產設備需要高代價的定制,尚未形成儲能鈉電池的成熟產品體系。超威集團引進美國 GE 的成熟技術,進行儲能鈉電池國產化的嘗試也尚未在國內外市場打開局面,根本原因是我國儲能鈉電池的發展目前仍然只能依賴和引進日本和美國公司的技術,尚不具備獨立開發新一代儲能鈉電池的能力,技術革新的速度無法應變市場的需求。(二)儲能鈉電池上下游產業鏈供給不足導致高成本儲能鈉電池的高溫技術瓶頸極大地限制了涉足儲能鈉電池開發的研究院所和企業的數量,導致儲能鈉電池在產業鏈的推動上困難重重。經過測算, 1 GWh 鈉 – 氯化鎳電池生產線上生產電池的成本約為 1050 元 / 度電,當生產線產能提高至 10 GWh,電池成本可降至 800 元 / 度電以下。然而,目前儲能鈉電池的生產規模不足以帶動上下游產業鏈的快速發展。NGK、GE 等公司同樣面臨電池成本偏高的困境。對我國而言,儲能鈉電池中鈉硫電池的含耐腐蝕涂層的集流體外殼等零部件、鈉 – 氯化鎳電池的關鍵原材料 T255 鎳粉(英國 Inco 公司)還依賴進口,國產化替代方案缺失。儲能鈉電池的中溫運行環境對保溫箱等下游供應的要求較高,但我國尚沒有類似產品開發。儲能鈉電池上下游產業鏈供給不足成為推動儲能鈉電池技術發展和成本降低的一大障礙。(三)儲能鈉電池的評估檢測標準和評估平臺缺失1998 年,美國能源部國家可再生能源實驗室就鈉鹽電池的健康狀態、濫用安全特性和回收處理辦法出具了說明書式的研究報告。2017 年, FIAMM SoNick 公司根據美國標準 UL 9540A 對 ZEBRA 電池產品進行了安全性測試,從單芯、模組和電池單元架三個層面進行了系統的安全性能評估。2018 年,電氣與電子工程師協會(IEEE)出臺了編號為 IEEE Std 1679.2—2018,標題為“靜態儲能應用中鈉 -beta 電池的表征和評估指導”的指導性標準。該標準為靜態儲能應用的用戶評估鈉 -beta 電池的性能、安全性,以及進行合格評估測試和監管等問題提供了指導。這些研究報告和標準的建立很大程度上促進了美國和歐洲等國家和地區儲能鈉電池的規范化和市場化。由于我國儲能鈉電池的產業化處于初級階段,相關評估檢測標準缺失,相應的評估平臺和評估機構尚不支持儲能鈉電池的性能和安全性評估,這也成為儲能鈉電池產業大步推進的障礙之一。六、對策建議(一)支持儲能鈉電池相關材料科學的研發和工程化技術攻關從國外的發展經驗來看,儲能鈉電池最初的很多成果出自國家能源部門或能源用戶部門牽頭組織的應用研發和技術攻關。2020 年 1 月,教育部、國家發展和改革委員會、國家能源局聯合制定了《儲能技術專業學科發展行動計劃(2020—2024 年)》(簡稱《行動計劃》),旨在立足儲能產業發展重大需求,統籌整合高等教育資源,加快發展儲能技術學科專業,加快培養儲能領域“高精尖缺”人才,破解共性和瓶頸技術,增強產業關鍵核心技術攻關和自主創新能力,以產教融合發展推動儲能產業高質量發展。《行動計劃》將為儲能行業的發展注入強大的動力。提升我國自主知識產權儲能鈉電池的技術成熟度同樣需要重視相關基礎材料的研發,更重要的是從戰略層面組織有研發基礎的優質企業和科研院所合作開展工程化技術攻關,提供相關項目支撐,集中精力解決儲能鈉電池中存在的“卡脖子”問題和推進儲能鈉電池在國外經驗基礎上的升級換代,以期在短期內實現我國儲能鈉電池技術體系的成熟化發展。(二)推動儲能鈉電池相關上下游產業的聚集發展產業規模是儲能鈉電池發展的關鍵因素,形成一定體量的產業集群對于降低儲能鈉電池的制造成本,提高儲能鈉電池的市場競爭力至關重要。在提升儲能鈉電池的技術成熟度的中后期,儲能鈉電池相關上下游產業的聚集發展是儲能鈉電池真正走向應用市場的關鍵一環。引導社會資本,圍繞技術創新鏈布局產業鏈,加強技術、資本與產業的融合,通過產業鏈合作及協同,提高資源利用效率,提升儲能鈉電池的市場競爭力。大型儲能鈉電池示范項目的規劃和實施是推動相關上下游產業發展的一個契機,有望使我國儲能鈉電池的發展駛入良性循環的快速通道。(三)建立健全儲能鈉電池的相關標準以及推動高溫鈉電池評估平臺的建設2018 年以來,國內外頻發的起火事故給正在起步的儲能產業澆了一盆冷水,也讓儲能的安全問題成為輿論焦點。有業內專家認為,儲能事故并非是一個簡單的技術問題,更多是標準的問題。標準是技術發展的總結,也需要政策法規從上而下的引導。國家能源局會同其他主管部門曾多次發文,力推儲能標準化工作,要求建立起較為系統的儲能標準體系。儲能鈉電池作為新型的儲能技術,相關標準缺失的問題尤為突出,迫切需要建立健全相關檢測和評價標準。如果我國以出臺儲能鈉電池的相關行業標準,甚至能夠出臺發布國家標準,相信能在很大程度上推動儲能鈉電池的商業化發展。認證機構基于相關標準可以推動高溫鈉電池評估平臺的建設,從而從政策上督促儲能鈉電池開發市場標準化、規范化,為其大規模應用、順利與應用市場接軌打下堅實基礎。

作者: 胡英瑛 吳相偉 溫兆銀 侯明 衣寶廉 詳情
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松下展示特斯拉4680電池 不跟風磷酸鐵鋰

因為成本較低,磷酸鐵鋰電池越來越受到新能源車企的歡迎。10月27日,戴姆勒集團CEO康林松(Ola Kallenius)表示,從2024和2025年開始,集團旗下梅賽德斯-奔馳的入門級車型將采用成本更低的磷酸鐵鋰電池,具體車型包括EQA和EQB。10月21日,特斯拉宣布將標準續航版本電動車Model 3和Moderl Y中的動力電池切換到磷酸鐵鋰電池。不過,特斯拉的電池供應商松下卻在近日展示其即將推出的4680圓柱電池時表示,該公司沒有為電動汽車生產更便宜的磷酸鐵鋰電池的計劃。松下的電池負責人 Kazuo Tadanobu說,松下計劃到2022年3月開始在日本試生產4680電池。他稱該產品是根據特斯拉的要求量身定制的,并表示松下計劃向特斯拉供應該產品,但他拒絕透露其他細節。當被問及松下的電動車電池業務時,松下新總裁兼首席執行官Yuki Kusumi表示,未來數年,電動車電池是該公司戰略的核心。雖然韓國和中國都出現了有力的競爭者,但松下仍將致力于改善電池生產技術,保持自身競爭力。去年9月22日,特斯拉在電池日上首次發布了4680圓柱電池。據介紹,該電池高80毫米、直徑46毫米,和傳統鋰電池相比,能量密度提高5倍,續航里程提高16%,且成本降低14%。10月21日,特斯拉在第三季度財報電話會上表示,4680型電池項目繼續取得進展,正在生產更多電池組用于測試。到目前為止,測試結果符合預期,2022年初將交付首批配備4680型電池的汽車。據悉,除了今年在日本建立了一條生產4680電池的測試線外,松下還計劃在2022年設立一家新能源業務公司——松下能源公司,來建造4680型電池超級工廠和方形電池超級工廠。雖然松下表示“4680 電池方面交易將使公司與特斯拉之間的關系更加牢固”,但特斯拉也在尋找新的供應商,LG能源解決方案和三星SDI都已經完成了4680電池的樣品開發。同時,為了提高電池的產量,特斯拉已在加州弗里蒙特工廠建立試生產線,為首批搭載4680型電池的車型供貨。而松下之所以無意布局磷酸鐵鋰電池,有業內人士認為,這或與其希望降低對特斯拉的依賴,進行客戶結構調整有關。對于近期蘋果公司與寧德時代及比亞迪就蘋果公司造車項目中的電池供應談判陷入僵局,蘋果公司已考慮與松下合作的傳聞,松下10月25日表示,關于向美國蘋果公司正在研究開發的電動汽車供應車載電池一事,“不否認各種可能性”。消息的可能性在于:松下在美國有電池工廠,且特斯拉逐漸將汽車電池供給業務多元化,讓松下處于邊緣化,曾清空了特斯拉的所有股票。蘋果造車于松下來說是個很好的機會。和蘋果和合作沒有得到證實的同時,松下卻迎來了一位新的客戶。10月27日消息,松下將從2022年起向美國新興純電動汽車企業Canoo供應電池。雙方于10月26日達成供貨協議,松下將持續數年向Canoo提供特斯拉采用的圓柱形電池。但具體供貨量并未公布。據Canoo在美國時間10月25日公布的消息:Canoo將把電池搭載到定于2022年在歐美上市的電動MPV車型“Lifestyle Vehicle”上。

作者: 沈陽蓄電池研究所新聞中心 詳情
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SES麻省固能CEO:動力電池的未來,最終將走向鋰金屬電池

記者 | 程迪10月初,據外媒報道,混合鋰金屬電池獨角獸企業SES麻省固能成功建立了第一條試點生產線,以擴大生產高性能solvent-in-salt電解液。據悉,SES是近兩年全球電池產業的投資熱點,目前已經獲得了多家大型車企和能源巨頭的重視,其中不乏通用、現代、起亞、上汽、吉利、天齊鋰業等大公司。今年7月,SES更宣布和艾芬豪資本收購公司達成最終合并協議,并將通過SPAC形式,于121月在紐約證券交易所掛牌上市,成為全球第一家上市的鋰金屬電池公司。SES的混合鋰金屬電池和一般鋰離子電池的最大區別在于負極材料。它可以讓車輛續航提升50%,生產成本降低18%,充電速度也有大幅提升。而此次擴產試點生產線,針對的就是混合鋰金屬電池負極材料中必備的一種特殊的高濃度鋰鹽中溶劑電解質配方,與鋰金屬混合后結構穩定,具有低揮發性和自熄性,更能使混合鋰金屬電池在低溫和高功率下,依舊保持著高能量密度和安全性。更重要的是,由于正極和鋰離電子電池的材料完全一樣,混合鋰金屬電池完全可以采用現成的產業鏈體系,只需更改負極材料或形狀,即可全面對接相關電動車電池產業鏈。SES的混合鋰金屬電池是否代表了動力電池行業的未來?為了更了解混合鋰金屬電池產業,我們對SES創始人兼CEO胡啟朝進行了一次獨家專訪。麻省高材生的全新汽車電池之路Solid Energy Systems麻省固體能源公司(簡稱SES)成立于2012年,是一家電動汽車高性能可充電混合鋰金屬電池開發者及制造商,在材料、電芯、模塊、基于人工智能學習的電池安全算法和電池回收再利用方面也都有涉獵。創始人胡啟朝在2007年獲得了麻省理工學院物理學學士學位,并于2012年獲得了哈佛大學應用物理學博士學位,主攻固態電池方面。圖片來源:SES麻省固能同年,美國電池行業經歷了鋰電池生產商A123公司的破產事件。A123的慘敗讓胡啟朝產生了一個新思路:無論對車企、消費者還是電池公司本身,鋰離子電池可能都不是最好的選擇。在此背景下,胡啟朝創立了Solid Energy Systems麻省固體能源公司,也就是如今SES的前身。公司創立后沒多久,胡啟朝當年入選了當年的《福布斯》雜志的“30位30歲以下精英”。SES創立之初,胡啟朝選擇做的是做全固態鋰金屬電池的另一個原因,是因為這是他從大學時代就開始深耕的熟悉領域。從1990年代初開始,全固態鋰金屬電池的概念就已經出現,比索尼的鋰離子電池還要早。當時,全固態鋰電池指的就是以金屬鋰為負極,在工作溫度區間內所使用的電極和電解質材料均呈固態,不含任何液態組份的鋰電池。早期專業人士認為:與鋰離子體系相比,用鋰金屬做負極的固態電池具有更好的性能,安全性、可回收性以及成本更低。但全固態鋰金屬電池在材料和工藝加工方面,一直存在著極大的困難與挑戰。某種程度上說,全固態鋰電池似乎更像是一個夢想——至今,全球尚無一家電池公司能將這一夢想實現。胡啟朝也是在試錯3年后,決定改做混合鋰金屬電池,即60%的正極材料和鋰離子金屬電池完全一樣,40%的負極采用鋰金屬和特殊電解液材料,這也是混合鋰金屬電池名字的由來。目前,SES是第一家,也是唯一一家公布了第三方測試報告的混合鋰金屬電池公司,包括能量密度、循環、低溫、高溫、安全、快充等一系列測試報告。同時,SES也是全球第一家和車企簽訂A樣品合作開發協議的混合鋰金屬電池公司。目前公司已經在6年內完成了5輪融資。主要投資者包括韓國SK集團、通用汽車、現代汽車、起亞公司、淡馬錫、天齊鋰業、祥峰投資集團、美國應用材料公司和上汽集團等,累計融資近2.7億美元(約合人民幣17.44億元)。今年7月,SES對外宣布與著名的艾芬豪資本收購公司正式合并。合并后的SES,股權價值約為36億美元,同時還獲得了4.76億美元的募資;預計今年11月,SES將在紐約證券交易所以SPAC的方式上市,將累積獲得7億美元左右的資金。合并后的實體公司,將會成為全球少有的幾家動力電池上市公司,更是全球第一家上市交易的混合鋰金屬電池供應商。混合鋰金屬電池到底厲害在哪里?從材質上看,鋰離子電池和鋰金屬電池的正極材料完全一樣(一般汽車的正極要占到電池的60%左右)。最大區別就是雙方的負極。鋰離子電池的負極主要是石墨和硅,鋰金屬電池的負極則為鋰金屬和特殊電解液材料——這也是混合鋰金屬電池名字的由來。根據胡啟朝的描述,相比我們熟悉的鋰離子電池,混合鋰金屬電池擁有三點最突出的優勢:第一:技術和資金成本更低。常規鋰離子電池的負極材料需要漿料、涂布、滾壓、干燥等程序,每一個環節都需要大量的設備與時間投入。而SES的鋰金屬電池采用滾壓的方式,將高純度鋰金屬滾壓成比較厚的鋰箔,再按需要逐步滾壓到所需要的厚度。比如,100微米、60微米甚至20微米都可以。整個鋰箔的制備過程都是在干燥環境中進行,無需溶劑,所以設備和環境的要求都會比前者簡單不少。綜合下來,鋰金屬電池的成本,比鋰離子電池的成本低18%左右。第二:能量密度更高。通過滾壓制得的混合鋰金屬電池,第三方檢測報告顯示,在滿足電池壽命和安全要求的前提下,能量密度一般可達到400Wh/kg,而一般鋰離子電池的能量密度在260Wh/kg或280Wh/kg左右,續航里程是常規鋰離子電池的50%以上。比如今年1月通用推出的悍馬電動汽車,用傳統鋰離子電池充一次電后能跑300英里,用混合鋰金屬電池的話,同樣情況下,充一次電可以跑500英里,續航里能程得到大幅度提升。第三:安全性更高。SES混合鋰金屬電池成功地從材料、制造工藝、軟件監控等多個層面提升了電池的安全性。SES專有的獲專利電解液有助于解決幾十年來一直困擾著鋰金屬的采用和進展的問題。隨著反復的充電和放電循環,鋰金屬陽極會形成針狀苔蘚結構的“枝晶”,它可以穿透隔膜并讓電池短路。SES研究出的電解液不僅大大減緩了“枝晶”的生長,而且還將其形態從尖銳的樹枝狀結構變為“密集沉積(Dense Deposition)”,這大大延長電池的生命周期,并提升了安全性。除了電解質之外,SES混合鋰金屬電池單元使用專有的陽極涂層,等于多提供一層保護,并能在充電時使鋰鍍層更密。混合鋰金屬電池的正極材料、電解液和鋰離子電池都完全一樣,所以不僅可以采用現在電池企業所采取的措施,從電芯、模組等方面做散熱,還能在正極材料的混合電解液里加入添加劑,來緩解冬季低溫續航方面的問題。軟件層面,SES采用先進的人工智能驅動的算法,可以準確地監測電池單元的健康狀況,并更早地發現任何即將出現的與"枝晶"有關的或其他的安全問題。除了通過選擇更合適的材料提高電池安全,胡啟朝表示:“通過AI軟件監控,我們可以對電池從生產線、質量管理到上車,24小時不停地進行參數監測,從而精確了解電池健康狀況,在安全事故發生之前提前預測。”另據界面新聞記者了解,由于混合鋰金屬電池的正極材料和鋰離子電池完全一樣,某種程度上,這兩種電池的生產工藝和隔膜原材料也是相同的,甚至混合鋰金屬電池的工藝從極片、電池組裝以及注液,再到生產設備,其實完全是從鋰離子電池行業脫胎而來。因此雙方的產業鏈可以進行對接。再加上SES鋰金屬電池采用的滾壓制備方式,使得其形狀也可做到和適用于高端汽車的高鎳電池、以及針對大眾型汽車的無鎳磷酸鐵鋰等電池完全匹配——即正極材料和形狀,完全可以根據不同市場來改變。“一個更安全、續航里程更高的電池,等于一個更便宜的電池。SES結合了傳統鋰離子電池和全固態鋰金屬電池的優點,開發出的混合鋰金屬電池,既保留了全固態金屬電池的高能量密度優勢,也擁有鋰離子電池生產工藝和可制造性的一些優點。”胡啟朝解釋。不過,從壽命周期來看,混合鋰金屬電池和鋰離子電池相差無幾,都在50萬公里以上。當然,一般當下車企給到的明確保證是在16萬公里左右,實際情況是遠高于此。此外,SES也有自己的難點與痛點,就是負極材料的研發。畢竟目前全球極少有企業可以批量生產又寬又薄的鋰金屬材料,因此某種程度上,這種先進正是也代表著混合鋰金屬電池走向全面難以產業化道路上的難點之一。所以,這也將是SES的目前以及未來的主要攻克方向。產品已進入驗證階段,但量產仍尚需時日“綜合來說,混合鋰金屬電池具備了更高密度、成本更低、重量更輕、安全性更高、充電速度更快、智能化水平更高等六大優勢。不少業內專家認為,以硅為負極主要材料之一的鋰離子電池是目前到2025年的主流。以鋰金屬和特殊電解液材料的混合鋰金屬電池則是要到從2025年開始逐漸上升。”胡啟朝告訴界面新聞記者。換言之,混合鋰金屬電池或將是汽車和動力電池行業的共識。而且,目前SES的混合鋰金屬電池已經不止于實驗室階段,開始和部分車企進行產品驗證。所謂產品驗證,其實車企專門針對動力電池研發方面提出的一項極為漫長的驗證過程。一般包含了工程樣品、A樣品、B樣品和C樣品四個階段共10年的漫長周期。通常,5年左右的時間用于工程樣品研發;之后3年為A樣品開發生產,然后是1年B樣品和1年C樣品的開發生產。據了解,SES在去年已經完成了工程樣品第一階段。并在今年3月和通用汽車達成聯合開發協議,在波士頓為后者開發A樣品電池;5月又和現代汽車與起亞簽署聯合開發協議,為現代開發A樣品電池。預計明年將進行A樣品的優化,2023年和2024年分別研發出B樣品和C樣品,2025年正式裝車上路。這一點上,SES的確走在了所有鋰金屬電池開發商的最前面。據悉,SES的A樣品要做到1GWh產能,B樣品和C樣品也是7到10GWh產能。一般而言,量產上車需要做到10GWh就可以量產上車。圖片來源:SES麻省固能SES和通用汽車已經在波士頓擁有了一條1GWh產能的A樣品生產線,而位于嘉定的上海分部未來也將完成也將在年底擴大面積,開始整個A樣品的開發。據胡啟朝介紹,嘉定基地占地面積6000平方米,主要做6Ah和9Ah的小電芯產品開發中心。馬上,這個基地就會擴展到3萬平方米左右,成為SES全球最重要的基地。未來,將涵蓋電解液、鋰金屬負極、正極、電芯、軟件、模組、安全測試等各方面能力。預計今年年底,嘉定基地就將開始生產1GWh產能的混合鋰金屬電池,并成為SES業務布局的核心,從基礎研發、產品開發到生產工藝,乃至打通整個產業鏈。胡啟朝表示:對于鋰離子電池來說,1GWh的產量并不算大,但對于混合鋰金屬電池來說,這將會是全球最大的生產中心。而為了控制產品質量和降低成本,SES未來還會自己生產電芯、材料、模組,甚至電池管理系統、電池安全軟件等配套產品。預計未來上海生產和研發中心的產能還會再進一步擴大,為下一步B和C樣品的10GWh產能做準備。眼下,這家新興電池公司在為自己打開了一扇新世界大門的同時,也為全球車企和相關動力電池行業,打開了一扇新世界的大門。對此,胡啟朝稱:“混合鋰金屬電池替代鋰離子電池并不會是一個一蹴而就非常迅速的過程,而是逐漸替代。”在他看來,動力電池從最初的鉛酸電池到后來的鎳電池,再到當前市場應用最廣泛的鋰電子電池,未來會最終走向鋰金屬電池。目前,SES在全球約有110位職員,研發人員的比例高達90%,其中很多研發人員都曾在大多來自CATL、LG、SK等著名的鋰離子企業工作過。截止今年9月,SES已在波士頓、上海、新加坡和首爾這四座城市設有重要部門。其中,新加坡為控投總部;波士頓的設施分部主要負責與通用的合作,主攻化學、材料和算法研發,以及一家試驗工廠;而位于上海的嘉定工廠分部,承擔的責任與任務最為復雜——既有制造工藝開發,以及電池、模組和BMS研發部門,又有大型試驗工廠。

作者: 沈陽蓄電池研究所新聞中心 詳情
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特斯拉要全面使用磷酸鐵鋰電池,相關概念股大漲!

近日,特斯拉發布了第三季度財報。數據顯示,特斯拉在今年第三季度創造了多項紀錄,獲得有史以來最好的凈利潤、營業利潤和毛利率。數據顯示,今年第三季度,特斯拉實現營收137.6億美元,同比增長57%;實現GAAP營業利潤20億美元,營業利潤率為14.6%,連續9個季度盈利;GAAP凈利潤為16.18億美元,同比增長389%,公司汽車業務毛利率達30.5%。值得關注的是,特斯拉在三季度投資者交流會上表示,特斯拉正在全球范圍內將所有標準續航版電動車都改用磷酸鐵鋰 (LFP) 電池。受此消息影響,A股磷酸鐵鋰概念板塊于10月21日出現大幅飆漲。其中,富臨精工(300432.SZ)大漲8.64%,德方納米(300769.SZ)盤中大漲逾5%,股價創下歷史新高。截至10月22日收盤,富臨精工報46.36元/股,上漲3.23%;德方納米股價報540.42元/股,下滑0.66%。此外,磷化工板塊也于近兩日持續走強。截至10月22日收盤,清水源(300437.SZ)漲停,股價報收于28.4元/股;六國化工(600470.SH)漲停;安納達(002136.SZ)、司爾特(002538.SZ)盤中漲停, 云天化(600096.SH)漲逾3%。值得注意的是,清水源近日連續走高,10月18日至今的五個交易日股價已累計大漲近90%。特斯拉帶動相關概念股大漲對于特斯拉擴大磷酸鐵鋰電池使用范圍,西部證券分析表示,隨著磷酸鐵鋰重回鋰電正極材料主流,預期至2025年,其國內需求將超100萬噸,且遠期市場仍將維持較高速度的增長。在此背景下,需求將延“磷酸鐵鋰-磷酸鐵-高純磷酸和工業一銨-黃磷及磷肥-磷礦石”產業鏈向上游傳導。“就中國市場而言,預期到2025年磷酸鐵鋰總需求量預計將突破200萬噸,復合增長率將超50%,是未來發展速度最快的產業之一。如果全球的新能源汽車電池都開始轉向磷酸鐵鋰,那么磷酸鐵鋰的市場空間會更大,發展速度會更快。” 東亞前海證券方面預測,新能源汽車動力電池的磷酸鐵鋰需求預計超過127萬噸,儲能電池需求預計超過73萬噸。值得一提的是,目前全球最大兩家磷酸鐵鋰電池生產商是寧德時代和比亞迪,特斯拉已經在向寧德時代采購磷酸鐵鋰電池。從2020年7月開始,寧德時代就向特斯拉上海工廠供應磷酸鐵鋰電池。在今年6月底,特斯拉再次與寧德時代簽訂協議。協議約定,寧德時代將在2022年1月至2025年12月期間向特斯拉供應鋰離子動力電池產品,具體的采購情況特斯拉以訂單方式確定,最終銷售金額須以特斯拉發出的采購訂單實際結算為準。有跡象顯示,寧德時代也在加速對磷酸鐵鋰材料的布局。繼320億元的邦普一體化電池項目落戶宜昌后,10月18日,寧德時代又投資了一家磷酸鐵鋰材料公司。而在幾年前,寧德時代還入股了國內磷酸鐵鋰材料頭部企業之一的湖南裕能,后者創業板IPO已于近日獲深交所受理。同時,寧德時代還與另外一家磷酸鐵鋰材料頭部企業德方納米有深度合作,雙方今年1月約定在四川省宜賓市江安縣投建“年產8萬噸磷酸鐵鋰項目”,項目總投資約18億元。此外,據財聯社報道稱,在賓夕州蘭卡斯特 ( Lancaster ) 建有磷酸鐵鋰電池工廠的比亞迪,也有望獲得特斯拉電池訂單。據悉,上述比亞迪工廠距離特斯拉弗里蒙特工廠僅500英里左右,目前產能僅1GW,但可通過對產線的升級改造滿足特斯拉前期對磷酸鐵鋰電池的需求。報道中援引知情人士的消息稱,“比亞迪已獲得了特斯拉10GWh的訂單”。對于這一說法,比亞迪方面表示“不予置評”。裝機量連續超越三元鋰電池今年以來,憑成本低廉、安全性強等優勢,磷酸鐵鋰電池成功對三元鋰電池實現“逆襲 ”,獲得了越來越多車企的青睞。在今年9月30日工信部最新發布《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄》(2021年第9批)中,共有52款新能源乘用車入選,其中搭載磷酸鐵鋰電池車型25款,占比48%。實際上,自今年5月份開始,磷酸鐵鋰電池首先在產量上重新反超三元鋰電池,隨后又于7月份在裝車量上對其實現超越。中國汽車動力電池產業創新聯盟發布的數據顯示,今年7~9 月,磷酸鐵鋰電池在動力電池市場所占比重也逐月提升,占比分別為53.8%、56.9%、58.3%;到9月份,磷酸鐵鋰電池的產量已經是三元鋰電池的1.4倍,裝機量為1.6倍。有觀點認為,兩者差距的不斷拉大,呈現出磷酸鐵鋰電池對三元鋰電池加速替代的趨勢。“磷酸鐵鋰的循環性能更好,充放電循環次數可以達到3500次~4000次左右,而三元鋰的充放電循環次數為1500次~2000次左右。使用壽命長,加之磷酸鐵鋰能量密度不斷提升之后,優勢更為明顯。同時,在補貼退坡和三元鋰電池原材料鈷、鋰、鎳大漲的情況下,車企改用磷酸鐵鋰以謀降本增效,也是磷酸鐵鋰電池獲得更多機會的主要原因。”隆眾資訊鈷行業分析師趙超表示。據華安證券測算,磷酸鐵鋰的使用成本約為0.08元/Wh,相比三元正極材料可以節省0.15元/Wh~0.21元/Wh,對應降低成本65%~72%。在現行補貼政策下,帶電量55kWh、續航405公里的三元電池替換為磷酸鐵鋰電池,成本可下降0.46萬元~0.56萬元。“目前磷酸鐵鋰被廣泛使用的主要原因在于,磷酸鐵鋰的價格相對三元鋰來說能夠低20%左右。另外,從長期來看,大家不希望三元鋰電池的增長把鎳的需求拉得太高,而前期也是擔心鈷的供應會不足。磷酸鐵鋰與三元鋰均衡發展對資源壓力會相對小一點。”全國乘用車市場信息聯席會秘書長崔東樹表示。

作者: 董天意 詳情
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鋰電池安全問題及失效分析

鋰電池容易發生起火爆炸等事故,本質上是由于其有機材料體系造成的。鋰電池在使用或儲存過程中會出現一定概率的失效, 包括容量衰減(跳水)、循環壽命短、內阻增大、電壓異常、析鋰、產氣、漏液、短路、變形、熱失控等, 嚴重降低了鋰電池的使用性能、一致性、可靠性、安全性。對鋰電池失效進行準確診斷并探究其失效機理是鋰電池失效分析的主要任務, 對鋰電池性能提升和技術發展也具有深遠意義。一、鋰電池安全問題表現二、鋰電池失效產生途徑途徑1:途徑1主要與鋰離子電池的內部短路有關。鋰離子電池的內部短路是其安全問題的最重要誘因,大部分的安全問題都是由于內部短路引起的。內部短路是電池內的正負極短路,一般是由生產過程中混入的金屬雜質、電極金屬箔在剪切時造成的毛刺、使用過程中形成鋰枝晶以及受到擠壓等意外機械應力引起。內部短路時會產生大量的熱,從而引起安全問題,內部短路對電池電壓和溫度的影響見圖1。圖1 內部短路對電池電壓和溫度的影響在大多數情況下,鋰離子電池內部短路引起的安全問題表現為著火和爆炸危險,而普通的過熱危險一般被認為是可以接受的危險。途徑2:途徑2主要與電路故障有關,如圖2所示。為了對鋰離子進行充放電管理及安全保護,在使用電池的宿主設備或適配器中需要設計充放電管理電路,在部分設備內還有放電的負載電路。圖2 可能會出現故障的電路為了對鋰離子電池進行保護,在封裝過程中需要在電池組中加入保護電路板。這些電池組內部的或外部的電路都有可能出現故障,進而引起電池的過壓充電、過度充電、過度放電、外部短路、過載等電應力條件,這些條件也可能會導致過熱、著火、爆炸等危險。在電應力條件中,過壓充電和過度充電會產生劇烈的副反應,產生大量的熱,從而導致熱失控;過度放電會導致電池的電壓低于廠商規定的放電截止電壓,此時的副反應主要為電解液的分解,產生大量的氣體導致外殼鼓脹破裂引發漏液;外部短路和過載則會使放電電流變大,從而使電池內部溫度或者外部導體的溫度劇增,引發熱失控。途徑3:途徑3主要與誤用、濫用有關。誤用和濫用包括在高溫下使用或存儲(如在車內)、用戶使用了錯誤的充電器(過壓充電)、極性反接充電、在攜帶過程中電池端子被外部的導體(金屬、溶液等)短路。這些誤用和濫用都可能造成電池發出大量的熱,甚至造成熱失控。途徑4:途徑4主要與電池外殼破裂有關。引起外殼破裂的誘因包括內部和外部應力。內部應力是指過度放電等副反應造成的內外壓差;外部應力是指運輸、使用過程中的正常的或者意外的機械應力,如振動、加速度沖擊、跌落等造成的外殼破裂。外殼破裂會使內部的電解液泄漏,從而引起危險。途徑5:途徑5主要與一致性有關。在由多節電池(電芯)通過串聯、并聯以及串并混聯構成的電池組中,電池之間的內阻、開路電壓、容量的一致性會造成對電池組內部的某一電池或電池并聯塊的過壓充電、欠壓放電等,從而引起安全問題。三、鋰電池失效分析介紹國家標準GB3187-82中定義:“失效(故障)——產品喪失規定的功能。對可修復產品,通常也稱為故障。”鋰電池的失效是指由某些特定的本質原因導致電池性能衰減或使用性能異常。鋰電池的失效主要分為兩類:一類為性能失效, 另一類為安全性失效,如圖3所示。性能失效指的是鋰電池的性能達不到使用要求和相關指標,主要有容量衰減或跳水、循環壽命短、倍率性能差、一致性差、易自放電、高低溫性能衰減等;安全性失效指的是鋰電池由于使用不當或者濫用,出現的具有一定安全風險的失效,主要有熱失控、脹氣、漏液、析鋰、短路、膨脹形變等。圖3 常見鋰電池失效的分類失效分析的誕生伴隨失效現象,以判定和預防其發生為目的。失效分析是一種判斷產品失效模式、分析失效原因、預測或預防失效現象的技術活動和管理活動。人們對鋰電池的使用性能指標提出了更高的要求,尤其凸顯在體積/質量能量密度、功率密度、循環壽命、成本、安全性能等方面。例如在《中國制造2025》中提到了能量型鋰電池比能量大于300W·h/kg,功率型鋰電池比功率大于4000 W/kg的發展目標。圖4為1990-2025年鋰離子電池能量密度發展路線圖。為了滿足市場的需求,提高電池的性能與安全性,縮短新體系研發周期,開展鋰電池失效分析是十分必要的。圖4 1990—2025年鋰離子電池能量密度發展路線雖然產品的誕生伴隨著失效,但失效為人們所認知是從失效現象開始, 所以失效分析工作要始于失效現象。首先應從鋰電池失效現象著手,鋰電池失效現象是鋰電池失效分析的第一步, 是最直接最重要的失效信息之一。若沒有充分掌握和分析鋰電池失效的信息,則不能準確獲取鋰電池失效的根本原因,因而不僅不能提供建設性建議或可靠性評估。失效現象分為顯性和隱性兩部分。顯性指的是直接可觀測的表現和特征,例如失效現場出現并可通過粗視分析觀察到的表面結構破碎和形變,包括起火燃燒、發熱、鼓脹(產氣)、變形、漏液、封裝材料破損及畸變、封裝材料毛刺、虛焊或漏焊、塑料材質熔化變形等。隱性指的是不能直接觀測而需要通過拆解、分析后得到的或者是模擬實驗中所展現的表現和特征,例如通過實驗室拆解檢測到的微觀失效,以及模擬電池中電學信息等。鋰電池失效過程中常有的隱性失效現象有正負極內短路、析鋰、極片掉粉、隔膜老化、隔膜阻塞、隔膜刺穿、電解液干涸、電解液變性失效、負極溶解、過渡金屬析出(含析銅)、極片毛刺、卷繞(或疊片)異常、容量跳水、電壓異常、電阻過高、循環壽命異常、高/低溫性能異常等。失效現象的范圍常常會與失效模式的范圍有交集,失效現象更偏向對現象的直接描述,屬于對失效過程的信息收集和描述;失效模式一般理解為失效的性質和類型,是對失效的歸類和劃分。鋰電池失效現象是電池失效表現的大集群,對其進行定義和分類是十分必要的。失效是失效原因的最終表現,也是失效原因在一定時間內疊加失效現象的結果。失效分析的重要任務之一是對失效原因進行準確判定。常見的鋰電池失效原因有活性物質的結構變化、活性物質相變、活性顆粒出現裂紋或破碎、過渡金屬溶出、體積膨脹、固體電解質界面(SEI)過度生長、SEI分解、鋰枝晶生長、電解液分解 或失效、電解液不足、電解液添加劑的失配、集流體腐蝕或溶解、導電劑失效、黏結劑失效、隔膜老化失效、隔膜孔隙阻塞、極片出現偏析、材料團聚、電芯設計異常、電芯分容老化過程異常等。圖5展示的是鋰電池內部失效情況。從鋰電池失效原因研究內容可將其分為外因和內因。其中外因包括撞擊、針刺、腐蝕、高溫燃燒、人為破壞等外部因素;而內因主要指的是失效的物理、化學變化本質, 研究尺度可以追溯到原子、分子尺度, 研究失效過程的熱力學、動力學變化. 鋰電池的失效歸根結底是材料的失效。材料的失效主要指的是材料結構、性質、形貌等發生異常和材料間失配。例如,正極材料因局部Li+脫嵌速率不一致導致材料所受應力不均而產生的顆粒破碎,硅負極材料因充放電過程中發生體積膨脹收縮而出現的破碎粉化,電解液受到濕度溫度的影響發生分解或變質,石墨負極與電解液中添加劑的碳酸丙烯酯(PC)發生的溶劑共嵌入問題, N/P(負極片容量與正極片容量的比值)過小導致的析鋰。圖5 鋰電池內部失效情況鋰電池的失效原因并不總能與失效一一對應, 存在“一對多”、“多對一”和“多對多” 的關系。某一失效原因可能在時間跨度中有不同的表現,例如充放電制度異常導致大電流充放電,最開始可能會表現出極化較大,中間階段會因鋰枝晶的析出導致內短路,隨后伴隨著鋰枝晶的分解與再生,最后可能會出現熱失控。某一失效原因可能會發生多種截然不同的失效,例如局部過渡金屬的析出,可能會產生氣體,形成鼓脹的失效表現,但也可能因為內短路形成局部發熱,進而導致隔膜收縮,引起大面積的熱失控。某一個失效現象可能對應著多種失效原因,例如容量衰減究其失效機理有材料結構變化、微結構破壞、材料間接觸失效、電解液失效或分解、導電添加劑失效等。失效分析分為兩個方向:其一為基于鋰電池失效的診斷分析,是以失效為出發點,追溯到電池材料的失效機理,以達到分析失效原因的目的;其二為基于累積失效原因數據庫的機理探索分析,是以設計材料的失效點為出發點,探究鋰電池失效發生過程的各類影響因素,以達到預防為主的目的。鋰電池的診斷分析以鋰電池失效為出發點,根據電池的失效表現,對電池進行電池外觀檢測、電池無損檢測、電池有損檢測以及綜合分析。面對實際案例時,需要根據不同情況對分析流程及測試項目進行調整和優化。以容量衰減電池失效分析為例(如圖6所示),結合失效表現和使用條件細化失效行為,并提供相應分析側重點。如正常循環衰減,則后期分析注重于材料結構變化、SEI過度生長以及析鋰等因素。圖6 某款電池容量衰減失效分析流程通過對失效電池外觀檢查, 確定是否存在外部結構變化或電解液外漏等因素。無損檢測主要包括微米X射線斷面掃描(XCT)和全電池電化學測試。通過無損檢測分析的結論,進一步確認內部結構變化情況、量化失效行為、選擇測試項目、調整分析流程。例如,對比圖7中某款 LiFePO4/C失效電池和新鮮電池全電池充放電曲線分析顯示放電容量衰減21%,進一步對充放電曲線處理得到容量增量(IC)曲線,根據曲線峰位整體向高電位移動,表明存在材料結構變化引起鋰脫嵌難度增加,結合3.27V和3.32 V處更為明顯的峰強變化,表明該電池容量衰減主要是由于活性鋰源損失及活性材料結構破壞,并且進一步佐證了分析側重點。圖7 某款LiFePO4/C失效電池和新鮮電池全電池(a)充放電曲線及(b)對應放電曲線的IC曲線所謂電池有損檢測是指通過電池拆解、極片觀察及材料測試分析來確定正負極片、活性材料以及隔膜等因素在電池失效中的作用。其中材料的測試分析則以物化性能和電化學性能測試為主。例如對上述LiFePO4/C失效電池極片進行掃描電子顯微鏡(SEM)形貌測試結果顯示正極材料有明顯的結構破壞,X射線衍射(XRD)結構譜圖中18.5?和31?峰強的增加揭示了Fex(POy)相的增加,即正極材料存在相變現象(如圖8所示)。對極片表面進行X射線光電子能譜(XPS)分析,以及對極片進行半電池測試則能夠定性和定量分析極片表面SEI和容量損失。最后總結得出定性或定量的失效原因,并提供分析報告。鋰電池失效機理研究是通過大量基礎科研,以及構建合理模型和驗證實驗, 準確模擬分析電池內部復雜的物理化學反應過程, 找出電池失效的本質原因,構建失效原因數據庫。電池機理分析可能會從不同角度去開展,包括設計材料角度和設計失效角度。圖8 某款LiFePO4/C失效電池和新鮮電池極片 (a) SEM 照片; (b)XRD譜圖以材料體系為出發點,設計不同的變量分別對電池或材料的失效機理進行研究(如圖9所示)。其中,以材料體系為出發點的機理分析工作常以基礎科研的形式進行,此類工作在科研院校中居多。需明確實驗目的,如“對比研究某材料體系常溫下高倍率充放電的容量衰減機理”,“研究某款電解液添加劑對電池高溫循環性能的影響”等。設計實驗流程,并通過制備電池,模擬電池使用環境或使用條件以達到預期失效的目的。對失效電池進行逆向解析, 結合材料體系分析電池失效機理。圖9 鋰電池失效機理研究流程示意圖除了失效分析流程的設計外,鋰電池失效分析主要步驟還包括失效信息采集、失效機理研究、測試分析手段等內容。采集鋰電池的失效信息,包括直接失效現象、使用環境、使用條件等內容。雖然失效分析工作內容主要包括明確分析對象、收集失效信息、確定失效模式、研究失效機理、判定失效原因、提出預防措施,但失效分析不應局限于以找出產品失效的本質原因為目的,應引發到對技術管理方法、標準化規范、失效現象深層次機理的思考, 以及融入大數據和仿真模擬等新思維。失效分析的最終目的是確定準確的失效模式,定量分析準確的失效原因,尤其是理清失效機理,積累失效分析數據庫,完成“失效現象-失效模式-失效原因-改進措施-模擬實驗”完整數據鏈以及“原始材料-制備工藝-使用環境-梯度利用及拆解回收”全壽命周期的失效研究。現階段,正在構建“鋰電池失效數據庫”。未來,鋰電池失效分析將實現電子化和智能化,通過采集失效現象,結合“鋰電池失效數據庫”,給出失效機理初步預測以及合理、高效的測試分析流程、在此過程中,還需要解決很多困難,例如: 優化失效分析流程、提供測試分析技術、攻克測試技術難點、規范測試分析方法等。四、失效分析難點鋰電池失效原因與失效之間并不是簡單的“一對一”模式,還有“一對多”、“多對一”、“多對多”等多維關系。此外,引起鋰電池失效的原因分為內因和外因,可以是來自組成材料本身的結構、物化性質的變化,也可以是設計制造、使用環境、時間跨度等復雜因素。因此,鋰電池的失效原因和失效之間的構效關系十分復雜(如圖10所示)。例如,正/負極材料的結構變化或破壞,都會產生容量上的衰減、倍率性能下降、內阻增大等問題;隔膜老化、刺穿是電池內短路的重要因素;電池的設計,極片涂布、滾壓、卷繞等過程都直接與電池容量及倍率性能的發揮密切相關;高溫環境會導致電池電解液發生分解變質,也會引起容量衰減、內阻增大、產氣等問題。故想用單一失效原因去描述并剖析失效是不正確的,且需要用定量角度剖析多種失效原因在某一階段的影響權重和主次關系,才能對失效電池進行準確的評估,并針對性地提出合理的措施。圖10 鋰電池使用條件、失效原因及失效現象的關系圖鋰電池本身就是屬于現代控制論中的灰箱(灰色系統),即對其內部物理、化學變化機理及熱力學與動力學過程不是完全了解。眾所周知,鋰電池主要由正極材料、負極材料、隔膜、電解質、溶劑、導電劑、黏結劑、集流體、極耳等組成。電池制備流程包含前段、中段、末段三部分,包括打漿、涂布、烘干、輥壓、分條、配片、模切或卷繞、入殼、極耳焊接、注液、封口焊接、化成分容等步驟。圖11展示了鋰電池常見的制備過程, 圖中描述了各個生產過程中存在的影響電池使用性能的因素。但各個關鍵材料之間并不是獨立存在的,各個制備步驟也不是獨立存在,它們之間是相互關聯、相互影響的,且會因應用領域的改變而發生較大變化。圖12表示電池材料性質與性能的關系,目前常見的鋰電池正極材料有LiCoO2,LiFePO4,LiMn2O4,Li2MnO3-LiMO2,LiNixCoyAl1?x?yO2, LiNixCoyMn1?x?yO2, LiNi0.5Mn1.5O4等。常見的鋰電池負極材料有天然石墨、人造石墨、中間相碳微球MCMB、Li4Ti5O12、軟碳、硬碳、硅負極、SiOx-C負極、金屬鋰、復合金屬鋰等。根據不同的使用環境和要求, 選擇不同的正負極體系,配以適當的電解液體系及其他輔助材料,在合適的制備流程下,做成滿足使用需求的各類形式鋰電池。合格的鋰電池會應用到各行各業,尤其在電動汽車、船舶、航天航空等領域。從材料制備到產品使用的過程充滿著可變性、復雜性,因此,對鋰電池失效分析不能僅局限于電池關鍵材料的失效,同時要對材料結構、合成加工、性能設計、制造流程、服役情況、失效表現等進行綜合考慮。圖11 鋰電池常見制備過程設計的影響因素圖12 電池材料性質和電池性能的關系除了上述難點之外,還存在一些技術難點,包括對鋰電池材料失效的分析需要使用到樣品收集/篩選技術、樣品轉移技術、合理準確的表征分析技術。在對樣品進行收集和篩選之前,對不同規格的電芯進行合理有效的拆解十分重要。現階段多為手動拆解或半自動化拆解,拆解過程中存在短路、破壞關鍵材料等隱患。電池內產氣和電解液的收集仍然存在一定困難,尤其在產氣收集過程中容易引入雜質氣體,剩余電解液量過少導致不易收集以及測試困難。絕大多數鋰電池材料對空氣敏感,尤其對空氣中的水分和氧分。這也對樣品的轉移技術提出了一些要求。圖13 常見測試分析設備的樣品轉移盒中國科學院物理研究所失效分析團隊多年來從事相關研究工作,努力發展的全自動電池拆解儀器目前處于試用階段,發展了針對不同型號電池的氣體收集裝置,以及發展了常規測試設備的氣氛保護殼或樣品轉移盒(如圖13所示)以實現樣品轉移和測試過程中的惰性氣氛保護。圖14展示了鋰電池內部各類失效常規的表征分析技術,分別從電極和材料兩個角度講解了電極表面覆蓋膜、顆粒表面覆蓋膜、材料孔隙堵塞、材料接觸失效、顆粒破碎、過渡金屬溶出與遷移等失效的表征技術。而在更為微觀的原子層面的材料失效表征,以及三維成像表征方面仍然存在不足。因此,一些原位實驗技術、同步輻射技術、中子衍射技術、重構成像技術、納米CT、球差電鏡等也被引入到鋰電池失效分析中, 揭示了更深層次的失效機理。但失效分析并不是以高端表征分析手段為噱頭,而是根據失效問題進行嚴格、完備的邏輯分析后, 制定合適的分析流程,采用必要的表征分析手段。圖14 常見電池內部失效點的表征分析技術五、規范測試分析方法不同的分析小組采用同樣的測試分析技術,實驗結果會有一定的差異,即使是同一分析小組在后期重復性實驗中,得到的實驗結果也會存在差異。失效分析最終目的是提出關鍵性解決措施,實驗結果的差異會讓解決措施差之毫厘謬以千里。這些問題并不局限在鋰電池失效分析中,而廣泛存在于機械工程、汽車工程、航空工程等其他領域的失效分析中。因此,標準化分析流程成為了必然的趨勢。除了常規的材料物化分析技術之外,材料預處理、轉移環境以及數據分析的規范化, 對準確分析材料、認清失效機理都是必要的。例如,測試樣品的預處理會影響檢測結果準確性,樣品的氣氛保護、電解液/氣體的收集環境、電極材料混合物的分離均與測試結果和分析結論息息相關。現階段,不同廠家的材料體系、電池型號、制備方法和流程都存在一定的差異,其電化學性能、物化性能及安全性能都受到直接影響,這給失效分析帶來了更多的變量和不確定性。現行的鋰離子電池測試標準多針對電池單體或電池包等產品的安全性及電性能的測試,如IEC 61960, JIS-C-8711主要側重于鋰離子電池的電性能測試;IEC62133, UL2054, UL1642 和JISC-8714等標準主要側重于電池產品的安全性能的測試標準。國內現行多款測試分析標準,多數以材料為出發點,涉及材料性能和含量的測定方法,如表1所列。此外,針對電池組和電池包的 GB/T 31467《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統》,以及針對單體電池制定的GB/T 18287《移動電話用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規范》包含了部分安全檢測和性能測試項目。表1 國內現行鋰電池相關標準鋰電池的機理分析主要在高校和研究所開展,其從基礎科學的角度,對鋰電池失效問題進行分析研究,在測試分析技術方面有著豐富的經驗。大量的先進測試表征技術應用到鋰電池的測試分析中,如中子衍射、納米CT、球差電鏡以及原位檢測技術等,這為更加精準地分析材料層面的失效機理提供了支持。如圖14所示,Xu等采用原位透射X射線成像技術深層次地研究了軟包電池中LiCoO2材料的形貌結構失效與化學元素分布之間的變化關系以及相關的失效機理;Finegan等采用原位高頻X射線斷層掃描儀結合熱成像技術,“原位”可視化地研究了兩款商業電池在不同條件引起的熱失控過程中內部結構和熱動力學的變化,為研究和預測熱量生成和消散的關鍵因素提供了技術支持;中國科學院物理研究所Gong等在球差透射電子顯微鏡的基礎上,發展了原位技術,從納米層級實時觀測和分析電池材料脫嵌鋰過程,對電池材料的失效機理研究提供了重要的技術保障。電池企業及材料企業各自開展鋰離子電池失效分析的研究,但多偏重于電池制造工藝和材料的研發制備,以提高電池性能、降低電池成本為直接目標,多采用大量正向驗證實驗,并累積了豐富的經驗和方法,但在逆向解析和精準分析方面存在經驗和技術仍有欠缺的問題。出于效率和效益的角度考慮,相關企業更希望在現有常規測試技術的基礎上發展具有高效性、準確性和普適性的失效分析方法,這對設計測試分析流程提出了更高的要求。(來源:鋰電池失效分析與研究進展 作者:王其鈺 、李泓等 儲能科學與技術)

作者: 王其鈺 李泓等 詳情
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鉛酸蓄電池采用哪種方式充電

鉛酸蓄電池常見的充電方式有恒流充電、恒壓充電、浮充電、過充電等幾種。充電時一般分為兩個階段進行;第一個階段看鉛酸蓄電池容量設定,容量大一些的充電電流可以選擇大一點的,例如60~100Ah蓄電池可以選擇充電電流為夏季一般用10A充電電流;其他季節用15A充電電流,充電6~10h左右。當鉛酸蓄電池電壓升到最大值(即6V蓄電池升至7.5V,12V蓄電池升至15V,24V蓄電池升至為30V)時,第一階段充電結束。第二階段以第一階段充電電流的1/2繼續充電3~5h,使蓄電池升至(6V升至7.8V,12V電壓升至15.5V,24V電壓升至為30V)即可。當蓄電池充足電時,蓄電池電壓上升至額定值,電解液密度不再變化,極板周圍有劇烈的氣泡冒出。蓄電池充電注意事項如下a.嚴格按規范要求操作。b.當電解液溫度超過40℃時,應降低充電電流;當溫度上升至50℃時應停止充電,并采取人工冷卻。c.充電時一定要將加液蓋打開,充電后要過一段時間再蓋蓋,以剩于氣體從蓄電池中逸出。d.充電電路中各接頭要接牢。正確放電。當蓄電池充足電時,即可放電。正確掌握放電深度是保證蓄電池良好工作狀態、延長使用壽命的關鍵。因此,在放電過程中,應定時檢查放電電壓、電流,電解液密度、液溫等數據,分析和確定放電深度,并適時充電。蓄電池的放電容量隨著放電電流的增大而急劇減少。若在10h放電率時蓄電池的容量為100%,則在3h放電率時蓄電池的容量減少為75%。因此,不同用途的蓄電池使用不同的放電率(放電電流)。當蓄電池整體電壓降至2.1V,電解液密度降至1.18g/cm時,應停止放電,以防蓄電池深度放電造成損壞。再者,當發現蓄電池出現以下情況時,應對蓄電池進行過充電,以使其恢復正常使用:a.24V蓄電池放電至電壓為21V以下;b.放電終了后停放1~2晝夜未及時充電;c.電解液混有雜質;d.極板硫化。過充電的方法是,正常充電終了后,改用10h放電率的一半電流繼續充電,在電壓和電解液密度均為最大值時,每小時觀察一次電壓和電解液密度。若連續觀察4次均無變化,而極板周圍冒氣泡劇烈,即可停止過充電。在正常情況下,鉛酸蓄電池的維護、保存比鎘鎳蓄電池簡單得多,鉛酸蓄電池的使用壽命為8~10年,若使用維護不當,其壽命大打折扣。鉛酸蓄電池的正常參數為:電解液的密度為1.285g /cm 3(20℃),單個單格電壓為2.1V。使用和維護鉛酸蓄電池充要注意以下事項①接線應正確,連接要牢靠。為了防止扳手萬一搭鐵而造成蓄電池損壞,安裝時應先接負極,再接兩蓄電池間的連接線,最后接搭鐵線。拆下蓄電池時,則按相反順序進行。②每周檢查一次蓄電池各參數。電解液液面要始終高于極板10~15mm。發現電解液液面下降,要及時補充蒸餾水,切勿使被板露出液面,否則將損壞極板。電解液不夠時,只能加蒸餾水,嚴禁使用河水、井水、自來水,嚴禁加濃硫酸,否則會因電解液密度過大而損壞蓄電池。③要根據地區和氣溫變化,及時調整電解液密度。在氣溫較高的地區采用密度較小的電解液;寒冷地區則電解液密度宜大些,以防結冰。④平時應經常觀察蓄電池外殼是否破裂,安裝是否牢靠,接線是否緊固。及時清除蓄電池表面的污垢、油漬,擦去蓄電池蓋上的電解液,清除極樁和導線接頭上的氧化層,保持蓄電池表面清潔干燥。蓄電池表面太臟,會造成極間緩慢放電,損壞蓄電池。蓄電池極樁處應涂凡士林油保護,防止氧化及生銹。應擰緊加液孔蓋并疏通蓋上的通氣孔。⑤當單個蓄電池電壓低于1.8V或電解液密度低于1.15g/cm3時,不要再繼續使用,應及時充電。每次充電必須充足,防止欠充電。使用中應盡量增多充電機會,經常保持蓄電池在電量充足的狀態下工作。完全放電的蓄電池應在24h內充好電。

作者: 沈陽蓄電池研究所新聞中心 詳情
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2021年中國鉛酸蓄電池行業發展現狀與供需情況分析

自2003年開始在鉛酸蓄電池行業實施工業產品生產許可證制度以來,國家對于鉛酸蓄電池行業制造及回收出臺了一系列的環保政策、標準,環保和行業準入等政策的嚴格執行有利于鉛酸蓄電池行業集中和產業升級。目前隨著我國經濟增長方式的轉變,國家對鉛酸蓄電池行業的環保要求將日益提高。近年來,我國鉛酸蓄電池產量較為穩定,但隨著5G網絡建設的加速推進,鉛酸蓄電池劣勢逐漸顯現,在通信領域的需求將有所下降。多項政策頒布規范行業發展近年來,我國相繼頒布多項政策規范鉛酸蓄電池行業的發展,調整產業結構,淘汰落后產能企業,提高行業的準入門檻,加強對行業污染的整治力度。2017年以來,國家對中國鉛酸蓄電池行業政策制定,主要有兩條主線。一條主線針對廢鉛酸蓄電池的回收利用稅收政策的制定,制定的原因在于,傳統再生鉛企業稅收均在11%左右,而民間鉛回收企業稅收僅為2%-4%左右,甚至有個別企業,將新電池發票當做銷售舊電池的進項做了抵扣。上述現象不僅讓國家損失了稅收,還讓鉛酸蓄行業出現了“劣幣驅良幣”的現象。在這條主線下,《危險廢物經營許可證管理辦法(修訂草案》明確了,采用3%低稅率扶持政策,從稅收的角度合理控制國家廢鉛酸蓄電池回收稅源的規定,2019年1月所頒發的《鉛蓄電池生產企業集中收集和跨區域轉運制度試點工作方案》則進一步規范了鉛酸蓄電池的回收流程。另一條主線,是技術主線,體現在國家對鉛酸蓄電池標準的制定上—。2018年,主管部門發布《電池新國標》,明確了鉛酸蓄電池行業“輕量高能”技改方向,并將此作為推動電動自行車新國標的一個輔助管理手段。隨后,《電動助力車用閥控式鉛酸蓄電池》發布,明確了鉛酸蓄電池行業“輕量高能”技改方向,并將此作為推動電動自行車新國標的一個輔助管理手段。行業發展形勢嚴峻,而且從目前部分前線電動自行車經銷商的反饋可以預知,未來的相關管控將更為嚴格,行業環境也將更為嚴酷。近年來鉛酸蓄電池產量較為穩定近年來,我國鉛酸蓄電池產量較為穩定,均維持在20000萬千伏安時以上。根據中國輕工業信息中心公布的數據顯示,2019年我國鉛酸蓄電池產量為202489萬千伏安時,同比增長4%,2020年,我國鉛酸蓄電池產量為22736萬千伏安時,同比增長12.28%。從結構上看,國內鉛酸蓄電池產量主要集中于浙江、湖北和河北,這三個地方的鉛酸蓄電池產量約占全國總產量的55%;此外,江蘇、安徽、廣東三地的鉛酸蓄電池產量占比均超過5%,其余地區鉛酸蓄電池產量均小于5%。國內鉛酸蓄電池產量最高的省份是浙江省,占全國鉛酸蓄電池總產量的30%;其次是湖北省,占比為13%;河北省的產量位居第三,占比為12%。通信領域鉛酸蓄電池需求將下降通信領域用鉛酸蓄電池是通信網絡中的關鍵基礎設施,主要用于通信交換局、基站供電的直流系統等。2019年被認為是5G發展元年,主流運營商紛紛加速5G網絡部署。2020年以來,我國政府密集部署5G等新基建項目,國內將領先全球,迅速推進5G網絡建設,2020年1月26日,工信部發布數據,2020年全年我國新開通5G基站超60萬個。同時,這也對基站用電池提出更高要求,鉛酸蓄電池劣勢逐步顯現,各運營商開始紛紛轉向鋰電池。與4G基站采用的鉛酸蓄電池相較,磷酸鐵鋰電池在安全性、循環壽命、快速充放等方面具備明顯優勢,可減少對市電增容改造的依賴,降低網絡建設和運營成本,是目前最適合國內5G基站儲能電池的技術路線。業內人士指出,通信基站后備電源電池由磷酸鐵鋰電池逐步替代鉛酸蓄電池是大勢所趨。從技術層面分析,磷酸鐵鋰電池循環壽命長、充放電速度快、耐高溫性能強,能為5G基站降低運行成本、提升運行效率。一般鉛酸蓄電池循環壽命為3-5年,充放電次數為500-600次,而磷酸鐵鋰電池循環壽命達10年以上,充放電次數為3000次以上,也就是說,在基站全生命周期內,如使用鉛酸蓄電池,需要更換電池,而磷酸鐵鋰電池則無需拆換。雖然現階段磷酸鐵鋰電池成本費用比鉛酸蓄電池高1-2倍,但在5000次循環系統使用壽命下,磷酸鐵鋰電池成本費用僅為鉛酸蓄電池的1/3。從長期運行經濟效益來看,磷酸鐵鋰電池使用成本更低。由于國家政策的大力支持,例如新國標引發電池“輕量化”,直接減少對鉛的用量。而鋰電梯次電池逐漸替代鉛蓄電池,2020年中國鐵塔將完全不使用鉛蓄電池。較早之前,中國移動通信集團有限公司也發布公告,計劃采購不超過25.08億元的通信用磷酸鐵鋰電池共計6.102億Ah(規格3.2V)。公開資料顯示,2020年,新建及改造的5G基站磷酸鐵鋰需求量約10GWh,未來磷酸鐵鋰電池市場需求仍將持續增加,鉛蓄電池需求量將繼續下降。一般國內通信基站電池的使用壽命為5年,按照一個基站配備2組48V400Ah鉛酸蓄電池計算,每個基站的需求為38.4Kvah。因此,前瞻測算,2020年,我國通信領域新增基站用鉛酸蓄電池需求規模進一步下降至2304萬千伏安時。注:由于統計局及相關行業協會僅統計每年鉛酸蓄電池的產量,前瞻根據國家統計局提供的鉛酸蓄電池的產量數據以及通信行業發展趨勢,對通信領域新增基站用鉛酸蓄電池的需求規模進行測算,此為測算數據。但是,盡管磷酸鐵鋰電池已在5G基站中廣泛應用,其應用技術也已達到現有5G基站備用電池標準,但想要實現磷酸鐵鋰電池在基站中的規模化應用還有待時日。現有鉛酸蓄電池還沒有全部退役,磷酸鐵鋰電池想要全部替換鉛酸蓄電池至少還需5-8年時間。此外,磷酸鐵鋰電池的回收技術門檻高、回收流程復雜、回收價值有限等問題也限制了磷酸鐵鋰電池的規模化發展,鉛酸蓄電池回收工藝成熟,且其回收流程簡單,具備一定的經濟性。所以,整體來看,鋰電化會在部分應用場景中成為趨勢,但在用電量大、安全性要求高的場合,鉛蓄電池仍有著不可替代的優勢,但隨著鋰電池技術、安全性的不斷提高,鋰電池對鉛酸蓄電池的替代將越來越明顯。整體來看,在通信領域,我國基站用鉛酸蓄電池需求規模將逐步下降,但要實現鋰電池對鉛酸蓄電池的完全替代,還需要一定的時間。

作者: 沈陽蓄電池研究所新聞中心 詳情
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美國能源部發布的“儲能大挑戰”報告(三):鋰離子電池和鉛蓄電池

中國儲能網訊:二.鋰離子電池技術鋰離子電池廣泛應用于固定儲能市場和交通運輸市場,它們也是消費電子產品中的主要電源。多家琛分析機構預計,鋰離子電池在未來10年內仍將占據儲能部署的大部分市場份額。儲能技術正在從鉛酸電池過渡到具有更長的循環壽命和工作壽命的電池,例如鋰離子電池。但是,鋰離子電池的易燃性是需要在系統工程設計進行改進的問題。而普魯士藍類鈉離子電池是另一種提供高功率和極長循環壽命的新型電池,可以滿足苛刻的直流應用性能要求。美國能源部為此為開發和生產這種電池的一家初創公司提供了資助。1.鋰離子電池市場鋰離子電池市場是增長最快的可充電電池市場。從2013年至2018年,鋰離子電池在所有市場的全球銷售額增長了一倍以上。交通運輸行業在鋰離子電池市場上占主導地位,也是增長最快的行業,各種汽車采用了60%的鋰離子電池。根據Avicenne公司發布的調查報告,全球鋰離子電池市場規模在2018年為400億美元,如圖9所示,這相當于在全球部署172GWh的電池儲能系統,到2019年增至195GWh。幾家分析機構預測未來十年的鋰離子市場發展趨勢。其基本假設以及分析中包括的市場取決于具體的來源。本節概述了這些分析和假設。圖9.全球鋰離子電池在未來10年在各種市場的應用圖10. 彭博社新能源財經公司對鋰離子電池在全球各地市場的部署預測圖11. Avicenne公司對鋰離子電池在全球各地市場的部署預測彭博社新能源財經公司(BNEF)和Avicenne公司預測了2030年全球所有市場的鋰離子電池部署情況,分別如圖10和11所示。彭博社新能源財經公司預測,鋰離子電池在全球消費類電子產品、固定儲能市場和運輸領域的應用將超過2TWh。Avicenne公司的預測涵蓋了以下兩種情況的市場以及其他市場(例如醫療設備和電動工具),而兩項研究中,都認為交通運輸行業將采用90%以上的鋰離子電池。彭博社新能源財經公司(BNEF)預計到2030年運輸行業采用的鋰離子電池容量將達到1.8TWh,而Avicenne公司預計到2030年運輸行業采用的鋰離子電池容量將達到0.7~1.0TWh。國際能源署(IEA)發布的《2020年全球電動汽車展望》報告只評估了交通運輸行業,并按國家和地區預測了混合動力和插電式混合動力電動汽車(xEV)的銷量。評估的第一種情況是“既定政策,并基于當前的目標、計劃和政策措施。此方案包括各國實現的混合動力和插電式混合動力電動汽車(xEV)部署目標、燃油車輛淘汰計劃、購買激勵措施,以及針對全球七個主要市場(美國、歐盟、中國、日本、加拿大、智利、印度)。還考慮了原始設備制造商發布的有關擴大混合動力和插電式混合動力電動汽車(xEV)車型范圍的計劃以及擴大其產量的計劃的公告。根據國際能源署(IEA)發布的STEPS方案,到2030年,全球車輛所需的鋰離子電池容量為1.6TWh,這與彭博社新能源財經公司(BNEF)估計的1.8TWh相似。圖12和圖13分別按移動性細分和區域詳細說明了國際能源署(IEA)的STEPS方案。如圖12所示,輕型車輛是采用移動式鋰離子電池的最大類別。而中國擁有最大的移動鋰離子電池市場,如圖13所示。圖12.根據國際能源署(IEA)STEPS情景下預計的全球鋰離子電池部署量(按車輛類別:電動客車、輕型車輛、中型和重型車輛)圖13.根據國際能源署(IEA)STEPS情景下預計的全球鋰離子電池部署量(按地區)鋰離子電池容量是根據全球汽車銷售量(按類別)以及每種汽車的典型車載電池尺寸估算得出的。國際能源署(IEA)還評估了第二種方案“可持續發展方案”,該方案假設混合動力和插電式混合動力電動汽車(xEV)占據了全球輕、中、重型車輛和公共汽車的30%的汽車銷售份額。在這種情況下,到2030年可以增加多達3TWh的鋰離子電池容量。圖14比較了國際能源署(IEA)的這兩種情況。圖14. 根據國際能源署(IEA)STEPS情景下,在xEV行業中預計的全球年度鋰離子電池部署量盡管有許多其他預測,但歐洲電動汽車市場規模在2020年首次超過了中國,預計2020年將超過100萬輛電動汽車。這種增長與歐洲的持續政策和補貼有關,而中國則減少了其電動汽車補貼。例如,德國已設定了到2030年生產710萬輛電動汽車的目標,并為每輛新型電動汽車和混合動力汽車提供最高9000歐元的補貼。德國還將在電池的研究和生產上投資超過15億歐元,計劃到2025年開始擴大生產規模。為了支持電動汽車市場的快速擴展,許多廠商都在投資電動汽車充電基礎設施。全球電動汽車充電端口目前超過了100萬個,這是過去三年總和的兩倍。歐洲是電動汽車市場擴張的領頭羊,其電動汽車充電基礎設施在2017年至2020年之間增長了五倍。在同一時期,中國增長了158%,美國的增長了65%。而在氫燃料電池汽車方面進行了大量投資的日本只增長了30%。與交通運輸行業的增長相比,固定儲能增長比較平緩。這通常是因為可再生能源通常是成本最低的發電來源,但是需要存儲其電力以減緩可變性。而美國是全球固定儲能部署的領導者。例如,在太陽能發電設施替代裝機容量為9GW的天然氣發電設施之后,加州電網估計需要部署裝機容量為12GW的儲能系統進行平衡。到目前為止,加州公用事業委員會已批準了裝機容量總計為5.1GW的電池儲能系統,計劃到2022年完成部署。2.鋰離子電池的制造圖15.全球鋰離子電池生產區域如圖15所示,全球鋰離子電池制造的大部分都在中國、美國、亞洲其他國家和歐洲各國。如今,中國以將近全球電池產能80%(電池容量為525GWh)占據市場主導地位。此外,到2025年電池產能將達到1400GWh,其市場占有率超過60%(圖16)。相比之下,美國落基山研究所預計2023年全球鋰離子電池的生產能力為1300GWh,其中一半在中國。圖16.  計劃建設(藍色)或在建(紅色)的鋰離子電池制造工廠生產能力美國是全球第二大電池生產國,其電池生產能力為當前全球電池生產容量的8%,這主要歸功于內華達州運營的特斯拉和機松下公司合資的電池工廠。而如今美國正在建設更多的電池生產工廠,而憑借積極的新法規和政府支持的融資,歐洲的電池制造業有望顯著增長。盡管當今中國在電池制造業中已經確立主導地位,但由交通運輸行業推動的增長可能會改變未來的全球足跡。歐洲為在本地和區域性增長制定了強有力的政策和激勵措施。歐洲電池聯盟預測,到2025年,歐洲的電池制造行業規模可能達到2500億歐元。目前,計劃在法國的杜文市和德國的凱撒斯勞滕建設兩個大型生產工廠,這些工廠可以為100萬輛電動汽車生產電池。法國和德國在電池生產的投資分別為15億歐元和35億歐元。圖17和圖18總結了鋰離子電池的四個主要部分的整體制造能力:陽極、陰極、電解質鹽和電解質溶液。目前,鋰離子陽極主要由石墨組成,并主要由五個國家生產:中國、日本、美國、韓國和印度,分別占到全球產量的76%、13%、6%、4%和1%。鋰離子陰極在9個國家和地區生產,其組成隨著新的低鈷化學技術的發展而變化。超過一半(58%)在中國制造,其次是日本和韓國,它們分別占近17%。美國生產的陰極不到全球的1%。中國制造占多數。圖17.全球鋰離子電池組件制造分布電池和原料(例如金屬)的供應和精煉以及各種鋰離子化學物質的分配是鋰離子市場上的重要考慮因素,但不在本文檔的范圍之內。3.鋰離子電池研發美國能源部車輛技術辦公室已經確定了xEV電池(以及12V起停動力電池)的商業化所面臨的主要挑戰:成本、性能、壽命、耐受性、回收利用和可持續性。針對這些改進的關鍵研究領域包括:?快速充電能力?硅陽極?高能的低鈷陰極?高壓陰極?高壓電解液?鋰金屬陽極?固態電池?電池回收。圖18提供了xEV鋰離子電池的成本和技術發展趨勢。圖19概述了候選電池技術及其滿足美國能源部(DOE)成本目標的可能能力。由于不同電池技術的差異很大,電池研究還包括多個活動的重點是解決整個電池供應鏈中的高成本領域。圖18.電動汽車鋰離子電池的成本和技術趨勢圖19.未來各種電池技術成本降低的潛力三、鉛酸電池鉛酸電池如今已經廣泛應用在交通運輸和固定儲能市場用,主要為所有類型的公路和越野車輛提供SLI服務。此外,鉛酸電池大量應用在工業部門,其中包括電信行業備份電源、UPS和數據中心以及叉車。如今,用于電網相關儲能系統的應用量相對較少。1.鉛酸電池市場2013~2018年,全球鉛酸電池年銷售額增長了20%以上,達到370億美元。目前,鉛酸電池占到所有可充電電池市場的70%以上;鉛酸電池銷售額的75%來自汽車SLI領域。江森自控公司以233億美元的銷售在汽車行業占主導地位。而Enersys公司以142億美元的銷售額在工業行業中領先。圖20和圖21分別以應用場合和行業銷售額(10億美元)與儲能容量(GWh)的比例展現當前的全球鉛酸電池市場情況。圖20.按應用劃分的2018年全球鉛酸電池部署量(%GWh)圖21.按公司劃分的2018年鉛酸電池銷售量Pillot 公司預測,到2030年,鉛酸電池需求將以5%的年增長率增長(如圖22所示)。盡管鉛酸電池目前是固定和運輸應用(對于SLI)中最常見的電池,但預計到2025年它們的儲能容量(GWh)仍將領先,但可能會滯后于銷售額。希望在2020年及以后,輕度混合動力和啟停混合動力汽車將成為高級鉛酸電池的增長領域。圖22.預計全球所有市場的鉛酸蓄電池需求預計到2025年,新車的銷售量將使鉛酸電池需求可能小幅增長,屆時其增長將趨于平穩(如圖23所示)。由于更換電池的時間比較頻繁(最短的工作壽命為3年),盡管中型和重型車輛的電池規模更大,但由于它們在總銷量中的顯著優勢,所有SLI應用(GWh)中有70%以上都來自輕型車輛(如圖24所示)。圖23.彭博社新能源財經公司預計各地汽車銷量中鉛酸電池產能的增長圖24.按類別劃分的汽車銷量預計鉛酸電池產能增加量用于混合動力汽車起停(12V)的鉛酸電池是鉛酸電池市場潛在的增長領域。微型混合動力汽車比傳統汽車節省5%的燃料,其價格比全混合動力電動汽車便宜10倍。如圖25和26所示,2017年是固定儲能市場鉛酸電池快速增長的元年。圖25表明,其增長主要是由中國的強勁市場需求推動的,歐洲也有一些增長,而美國的增長則很少。圖26詳細說明了應用領域細分情況。在2017年之前,固定市場主要是與電網相關的應用,此外工業用途也推動了爆炸性增長。鉛酸電池行業廠商認為,基于技術進步和市場發展,鉛酸電池在未來的固定式儲能市場中仍然具有巨大的商機,其中包括:·投資于電池雙極設計以增加能量密度,并降低成本。·用戶側儲能和其他對安全至關重要的應用。·電信行業將在發展中國家發展,并用于5G技術的部署。圖25全球鉛酸電池市場增長主要是由中國的強勁需求推動(2008年~2020年)圖26  鉛酸電池在各種領域的應用(2008年~2020年)2.鉛酸電池在美國的生產在美國,鉛酸電池行業的年產值為263億美元。它們在美國國內生產,并且99%被回收。鉛酸電池在美國18個州生產。此外,美國有10個州有電池回收設施,有9個州擁有技術開發設施,還有10個州的公司為鉛酸工業提供原材料(例如石墨)或設備。鉛酸電池行業已經在美國38個州創造了近25,000個工作崗位(制造。回收、運輸、分配和采礦)。圖27和28分別顯示了美國電池制造設施分布和創造的就業機會。圖27.美國鉛酸電池行業及相關產業分布圖28美國各州與鉛酸電池行業相關的工作分布

作者: 劉伯洵編譯 詳情
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圣陽電源相繼中標中國移動、中國電信兩大運營商鉛蓄電池集中采購項目

2020年12月3日,中國移動公示了2020至2021年度Ⅰ類鉛酸蓄電池產品集中采購項目中標結果,圣陽電源順利中標,獲得約33.8萬KVAh份額。12月17日,中國電信公布了普通型閥控式密封鉛酸蓄電池(2020年)集中采購項目中標結果,圣陽電源再次順利中標,獲得約30萬KVAh份額。至此,2020年兩大通信運營商鉛蓄電池重要收關招標項目中,圣陽電源均獲得客戶高度認可,成功中標。圣陽電源將持續為客戶提供優質產品和滿意的服務,不斷提升運營商服務質量,保持客戶持續滿意。圣陽電源作為國內通信市場備用電源領域的主流供應商,是國內成立時間最早的專業電源制造企業之一,有幸見證并深入參與了國內通信行業的快速發展,并隨著國內通信行業及運營商的發展而不斷壯大。近年來針對運營商不同工況的不同備電需求,公司依托于30年的行業經驗與技術積累,以國家級企業技術中心、博士后科研工作站、CNAS實驗室等技術平臺為支撐,持續推進技術創新和產品進步,為客戶提供更適合實際需求的一體化電源產品解決方案。公司具備覆蓋全國的、優良的銷售服務網絡,持續提供優質的售前、售中、售后等全過程、全方位的7*24小時的技術服務支持。公司以最具性價比的產品和優質的服務踐行“關鍵時刻、值得信賴”的企業理念,本次集采結果也是運營商客戶對圣陽電源的又一次高度認可!圣陽電源作為國內領先的綠色能源供應商,秉承“以客戶為中心、為客戶創造價值”的經營宗旨,以變革創新為動力,面向海內外市場,向客戶提供儲能、備用、動力、系統集成電源產品和定制化解決方案,是行業內唯一榮獲 “中國出口質量安全示范企業”稱號的企業。即將到來的十四五,在“新基建”背景下,圣陽電源以專業化、智能化為方向,夯實產業能力,為通信運營商提供更加安全可靠的產品和電源解決方案,助力新基建建設,為建設數字中國貢獻力量!

作者: 沈陽蓄電池研究所新聞中心 詳情
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南都電源預中標中國電信鉛酸蓄電池集采項目

今日,中國電信發布普通型閥控式密封鉛酸蓄電池(2020年)集中采購項目中標候選人公示,南都電源為第一中標候選人,投標報價(價稅合計)9.46億元,公示期為2020年12月18日至21日。(證券時報)

作者: 沈陽蓄電池研究所新聞中心 詳情
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寶馬摩托車全球推薦使用猛獅科技(DYNAVOLT)啟動電池

近日,在寶馬集團(https://www.press.bmwgroup.com/global/registration)的網站,刊登了題為BMW MOTORRAD WORLD TEAM RECOMMENDS DYNAVOLT BATTERIES的文章,文中,寶馬車隊經理肖恩?繆爾和馬克?邦格斯都對猛獅表示了由衷感謝。肖恩表示,在新冠肆掠的2020,如果沒有猛獅的支持,車隊幾乎無法參加今年的WSBK,猛獅在寶馬車隊中扮演著極其重要的角色,他和他的團隊都非常感激猛獅在2020賽季給予的贊助和支持,也期待來年更加深入和密切的合作。馬克說,在世界級的摩托賽事上,每一個細節都是成功與否的關鍵。猛獅提供了可靠、高端的產品,是賽車電池領域的完美伙伴,而想要取得成功,這樣強大可靠的合作伙伴必不可少。我們欣賞并贊賞這種合作,并借此機會表示感謝。感謝猛獅!期待擴大我們在賽車和產品方面的合作。熟悉WSBK的人都知道,寶馬在2012年曾一度退出WSBK,去年才重回賽道,也是在去年,猛獅開始與寶馬車隊的合作,并與寶馬車隊攜手走過了兩個賽季。在接下來的2021,猛獅也會繼續保持對車隊的支持,強強合作,定能碰撞出最精彩的火花。比賽用車 BMW S1000 RR賽場精彩瞬間作為國內最早一批做摩托車起動電池的企業,高端電池制造一直是猛獅的核心業務之一。從初入摩托車電池行業,到成為國內摩托車蓄電池出口量最大的領軍企業,猛獅科技以獨到的眼光在電池制造業創造出屬于自己的一片天地,并將“中國制造”推向了國際市場。目前,猛獅科技的摩托車電池產品主要分為三種產品類別,第一類是膠體電池,第二類是具有干荷性能的免維護電池,第三類是普通干荷電池。在行業內,猛獅的摩托車電池產品在性能上具有明顯優勢,從制造技術和質量管控上都具有世界一流水準。本賽季寶馬車隊搭載的正是猛獅科技諸多電池產品中的一款——MG52113。這是一款適應于BMWK1600GT、R1200RT、R1100RS、R1150等高端車型的起動膠體電池,對應業內的型號是51913(20HR@19Ah),為保證這款高端產品能獲得更高的性能,猛獅設計此款產品為(20HR@21Ah),-18℃CCA 高達310A,遠超同業競品各項性能指標。2021年WSBK賽季即將拉開帷幕,我們也將為大家持續帶來賽事精彩報道。WSBK簡介世界超級摩托車錦標賽World Superbike Championship,也簡稱為WSBK,始于上世紀70年代的美國。作為摩托車頂級賽事之一,其迷人之處就在于它所使用的賽車,都是市場上能買到的超級跑車,稍微進行改裝就可參賽,普通車迷即使不參賽也可到賽場領略駕駛的樂趣;另外這種比賽的廣告效應十分強烈,各大廠家不惜血本進行投入和宣傳,這樣WSBK越來越受到車迷和觀眾的喜愛,不斷發展壯大。WSBK的賽制采用一場二節制,中間有休息時間,可對賽車修理和調校。比賽后用兩節時間相加排出名次,并累計積分,全年積分最高者為年度總冠軍,積分最高的車隊為年度冠軍車隊。

作者: 沈陽蓄電池研究所新聞中心 詳情
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磷酸鐵鋰電池回潮引人關注

近日,奔馳汽車公司宣布將在旗下入門級新能源汽車中轉向使用價格更便宜的磷酸鐵鋰電池,以防止入門級車型中使用的部分金屬原材料價格飆升所帶來的成本問題,這再次引起了業內對動力電池技術路線的關注。事實上,今年以來,動力電池產業發生了變化,磷酸鐵鋰電池對三元鋰電池的反超成為業內熱議的話題。根據中國汽車動力電池產業創新聯盟公布的產業數據,5月和7月開始,中國市場上磷酸鐵鋰電池產量和裝車量開始超過三元鋰電池。9月份,無論是產量還是裝車輛,磷酸鐵鋰電池都高于三元鋰電池。前三季度,磷酸鐵鋰電池增速持續超過三元鋰電池。而在去年,三元鋰電池還占據著市場的絕對主流。業內人士認為,造成磷酸鐵鋰電池回潮的主要誘因是主機廠降低成本。由于補貼逐漸退坡并將最終退出,而“雙碳”目標倒逼車企加大電動汽車銷售力度,主機廠普遍面臨降低電動汽車成本的壓力,以取得競爭優勢。從價格來看,三元鋰電池所使用的材料鎳、鈷、錳酸鋰在全球儲量低,加上新冠肺炎疫情帶來的不確定性,導致其價格不斷攀升;而磷礦的儲量較為豐富,這讓磷酸鐵鋰電池具有了一定的成本優勢。據了解,在奔馳轉向使用磷酸鐵鋰電池之前,特斯拉、蔚來、小鵬、廣汽埃安等傳統車企的標準續航或者低續航車型都開始采用磷酸鐵鋰電池,比亞迪今年4月宣布旗下電動汽車將全部采用磷酸鐵鋰電池。另一方面,磷酸鐵鋰電池技術過去幾年也有提升,再加上電池包的內部結構因技術創新得到了優化,使系統能量密度出現較大幅度的提升,在一定程度上彌補它在續航里程方面的短板。但不少業內人士也同時提出,雖然隨著近年來技術的不斷改進提升,磷酸鐵鋰電池使用的范圍得到了拓展,但其能量密度天花板依然較低,對車輛的續航里程構成限制,目前來看,三元鋰電仍是高端車型主流技術路線。比如,在不久前舉行的2021全球新能源與智能汽車供應鏈創新大會上,中國電子科技集團公司第十八研究所研究員肖成偉介紹,從2020年純電動乘用車電池系統能量分布來看,140-160Wh/kg中很大一部分是磷酸鐵鋰電池,160Wh/kg以上以三元鋰電池為主;目前低成本的純電動車以磷酸鐵鋰電池為主,高性能車以三元鋰電池為主,也有一些車企在探索將三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池混用的方向。這表明,在一段時期內,磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池將繼續作為動力電池的兩條主要技術路線存在,并應用在不同的車型上,如果考慮到電動汽車消費升級和車企紛紛發力高端車市場的背景,三元鋰電池仍有較大發展空間。

作者: 岳倩 詳情
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松下展示特斯拉4680電池 不跟風磷酸鐵鋰

因為成本較低,磷酸鐵鋰電池越來越受到新能源車企的歡迎。10月27日,戴姆勒集團CEO康林松(Ola Kallenius)表示,從2024和2025年開始,集團旗下梅賽德斯-奔馳的入門級車型將采用成本更低的磷酸鐵鋰電池,具體車型包括EQA和EQB。10月21日,特斯拉宣布將標準續航版本電動車Model 3和Moderl Y中的動力電池切換到磷酸鐵鋰電池。不過,特斯拉的電池供應商松下卻在近日展示其即將推出的4680圓柱電池時表示,該公司沒有為電動汽車生產更便宜的磷酸鐵鋰電池的計劃。松下的電池負責人 Kazuo Tadanobu說,松下計劃到2022年3月開始在日本試生產4680電池。他稱該產品是根據特斯拉的要求量身定制的,并表示松下計劃向特斯拉供應該產品,但他拒絕透露其他細節。當被問及松下的電動車電池業務時,松下新總裁兼首席執行官Yuki Kusumi表示,未來數年,電動車電池是該公司戰略的核心。雖然韓國和中國都出現了有力的競爭者,但松下仍將致力于改善電池生產技術,保持自身競爭力。去年9月22日,特斯拉在電池日上首次發布了4680圓柱電池。據介紹,該電池高80毫米、直徑46毫米,和傳統鋰電池相比,能量密度提高5倍,續航里程提高16%,且成本降低14%。10月21日,特斯拉在第三季度財報電話會上表示,4680型電池項目繼續取得進展,正在生產更多電池組用于測試。到目前為止,測試結果符合預期,2022年初將交付首批配備4680型電池的汽車。據悉,除了今年在日本建立了一條生產4680電池的測試線外,松下還計劃在2022年設立一家新能源業務公司——松下能源公司,來建造4680型電池超級工廠和方形電池超級工廠。雖然松下表示“4680 電池方面交易將使公司與特斯拉之間的關系更加牢固”,但特斯拉也在尋找新的供應商,LG能源解決方案和三星SDI都已經完成了4680電池的樣品開發。同時,為了提高電池的產量,特斯拉已在加州弗里蒙特工廠建立試生產線,為首批搭載4680型電池的車型供貨。而松下之所以無意布局磷酸鐵鋰電池,有業內人士認為,這或與其希望降低對特斯拉的依賴,進行客戶結構調整有關。對于近期蘋果公司與寧德時代及比亞迪就蘋果公司造車項目中的電池供應談判陷入僵局,蘋果公司已考慮與松下合作的傳聞,松下10月25日表示,關于向美國蘋果公司正在研究開發的電動汽車供應車載電池一事,“不否認各種可能性”。消息的可能性在于:松下在美國有電池工廠,且特斯拉逐漸將汽車電池供給業務多元化,讓松下處于邊緣化,曾清空了特斯拉的所有股票。蘋果造車于松下來說是個很好的機會。和蘋果和合作沒有得到證實的同時,松下卻迎來了一位新的客戶。10月27日消息,松下將從2022年起向美國新興純電動汽車企業Canoo供應電池。雙方于10月26日達成供貨協議,松下將持續數年向Canoo提供特斯拉采用的圓柱形電池。但具體供貨量并未公布。據Canoo在美國時間10月25日公布的消息:Canoo將把電池搭載到定于2022年在歐美上市的電動MPV車型“Lifestyle Vehicle”上。

作者: 沈陽蓄電池研究所新聞中心 詳情
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SES麻省固能CEO:動力電池的未來,最終將走向鋰金屬電池

記者 | 程迪10月初,據外媒報道,混合鋰金屬電池獨角獸企業SES麻省固能成功建立了第一條試點生產線,以擴大生產高性能solvent-in-salt電解液。據悉,SES是近兩年全球電池產業的投資熱點,目前已經獲得了多家大型車企和能源巨頭的重視,其中不乏通用、現代、起亞、上汽、吉利、天齊鋰業等大公司。今年7月,SES更宣布和艾芬豪資本收購公司達成最終合并協議,并將通過SPAC形式,于121月在紐約證券交易所掛牌上市,成為全球第一家上市的鋰金屬電池公司。SES的混合鋰金屬電池和一般鋰離子電池的最大區別在于負極材料。它可以讓車輛續航提升50%,生產成本降低18%,充電速度也有大幅提升。而此次擴產試點生產線,針對的就是混合鋰金屬電池負極材料中必備的一種特殊的高濃度鋰鹽中溶劑電解質配方,與鋰金屬混合后結構穩定,具有低揮發性和自熄性,更能使混合鋰金屬電池在低溫和高功率下,依舊保持著高能量密度和安全性。更重要的是,由于正極和鋰離電子電池的材料完全一樣,混合鋰金屬電池完全可以采用現成的產業鏈體系,只需更改負極材料或形狀,即可全面對接相關電動車電池產業鏈。SES的混合鋰金屬電池是否代表了動力電池行業的未來?為了更了解混合鋰金屬電池產業,我們對SES創始人兼CEO胡啟朝進行了一次獨家專訪。麻省高材生的全新汽車電池之路Solid Energy Systems麻省固體能源公司(簡稱SES)成立于2012年,是一家電動汽車高性能可充電混合鋰金屬電池開發者及制造商,在材料、電芯、模塊、基于人工智能學習的電池安全算法和電池回收再利用方面也都有涉獵。創始人胡啟朝在2007年獲得了麻省理工學院物理學學士學位,并于2012年獲得了哈佛大學應用物理學博士學位,主攻固態電池方面。圖片來源:SES麻省固能同年,美國電池行業經歷了鋰電池生產商A123公司的破產事件。A123的慘敗讓胡啟朝產生了一個新思路:無論對車企、消費者還是電池公司本身,鋰離子電池可能都不是最好的選擇。在此背景下,胡啟朝創立了Solid Energy Systems麻省固體能源公司,也就是如今SES的前身。公司創立后沒多久,胡啟朝當年入選了當年的《福布斯》雜志的“30位30歲以下精英”。SES創立之初,胡啟朝選擇做的是做全固態鋰金屬電池的另一個原因,是因為這是他從大學時代就開始深耕的熟悉領域。從1990年代初開始,全固態鋰金屬電池的概念就已經出現,比索尼的鋰離子電池還要早。當時,全固態鋰電池指的就是以金屬鋰為負極,在工作溫度區間內所使用的電極和電解質材料均呈固態,不含任何液態組份的鋰電池。早期專業人士認為:與鋰離子體系相比,用鋰金屬做負極的固態電池具有更好的性能,安全性、可回收性以及成本更低。但全固態鋰金屬電池在材料和工藝加工方面,一直存在著極大的困難與挑戰。某種程度上說,全固態鋰電池似乎更像是一個夢想——至今,全球尚無一家電池公司能將這一夢想實現。胡啟朝也是在試錯3年后,決定改做混合鋰金屬電池,即60%的正極材料和鋰離子金屬電池完全一樣,40%的負極采用鋰金屬和特殊電解液材料,這也是混合鋰金屬電池名字的由來。目前,SES是第一家,也是唯一一家公布了第三方測試報告的混合鋰金屬電池公司,包括能量密度、循環、低溫、高溫、安全、快充等一系列測試報告。同時,SES也是全球第一家和車企簽訂A樣品合作開發協議的混合鋰金屬電池公司。目前公司已經在6年內完成了5輪融資。主要投資者包括韓國SK集團、通用汽車、現代汽車、起亞公司、淡馬錫、天齊鋰業、祥峰投資集團、美國應用材料公司和上汽集團等,累計融資近2.7億美元(約合人民幣17.44億元)。今年7月,SES對外宣布與著名的艾芬豪資本收購公司正式合并。合并后的SES,股權價值約為36億美元,同時還獲得了4.76億美元的募資;預計今年11月,SES將在紐約證券交易所以SPAC的方式上市,將累積獲得7億美元左右的資金。合并后的實體公司,將會成為全球少有的幾家動力電池上市公司,更是全球第一家上市交易的混合鋰金屬電池供應商。混合鋰金屬電池到底厲害在哪里?從材質上看,鋰離子電池和鋰金屬電池的正極材料完全一樣(一般汽車的正極要占到電池的60%左右)。最大區別就是雙方的負極。鋰離子電池的負極主要是石墨和硅,鋰金屬電池的負極則為鋰金屬和特殊電解液材料——這也是混合鋰金屬電池名字的由來。根據胡啟朝的描述,相比我們熟悉的鋰離子電池,混合鋰金屬電池擁有三點最突出的優勢:第一:技術和資金成本更低。常規鋰離子電池的負極材料需要漿料、涂布、滾壓、干燥等程序,每一個環節都需要大量的設備與時間投入。而SES的鋰金屬電池采用滾壓的方式,將高純度鋰金屬滾壓成比較厚的鋰箔,再按需要逐步滾壓到所需要的厚度。比如,100微米、60微米甚至20微米都可以。整個鋰箔的制備過程都是在干燥環境中進行,無需溶劑,所以設備和環境的要求都會比前者簡單不少。綜合下來,鋰金屬電池的成本,比鋰離子電池的成本低18%左右。第二:能量密度更高。通過滾壓制得的混合鋰金屬電池,第三方檢測報告顯示,在滿足電池壽命和安全要求的前提下,能量密度一般可達到400Wh/kg,而一般鋰離子電池的能量密度在260Wh/kg或280Wh/kg左右,續航里程是常規鋰離子電池的50%以上。比如今年1月通用推出的悍馬電動汽車,用傳統鋰離子電池充一次電后能跑300英里,用混合鋰金屬電池的話,同樣情況下,充一次電可以跑500英里,續航里能程得到大幅度提升。第三:安全性更高。SES混合鋰金屬電池成功地從材料、制造工藝、軟件監控等多個層面提升了電池的安全性。SES專有的獲專利電解液有助于解決幾十年來一直困擾著鋰金屬的采用和進展的問題。隨著反復的充電和放電循環,鋰金屬陽極會形成針狀苔蘚結構的“枝晶”,它可以穿透隔膜并讓電池短路。SES研究出的電解液不僅大大減緩了“枝晶”的生長,而且還將其形態從尖銳的樹枝狀結構變為“密集沉積(Dense Deposition)”,這大大延長電池的生命周期,并提升了安全性。除了電解質之外,SES混合鋰金屬電池單元使用專有的陽極涂層,等于多提供一層保護,并能在充電時使鋰鍍層更密。混合鋰金屬電池的正極材料、電解液和鋰離子電池都完全一樣,所以不僅可以采用現在電池企業所采取的措施,從電芯、模組等方面做散熱,還能在正極材料的混合電解液里加入添加劑,來緩解冬季低溫續航方面的問題。軟件層面,SES采用先進的人工智能驅動的算法,可以準確地監測電池單元的健康狀況,并更早地發現任何即將出現的與"枝晶"有關的或其他的安全問題。除了通過選擇更合適的材料提高電池安全,胡啟朝表示:“通過AI軟件監控,我們可以對電池從生產線、質量管理到上車,24小時不停地進行參數監測,從而精確了解電池健康狀況,在安全事故發生之前提前預測。”另據界面新聞記者了解,由于混合鋰金屬電池的正極材料和鋰離子電池完全一樣,某種程度上,這兩種電池的生產工藝和隔膜原材料也是相同的,甚至混合鋰金屬電池的工藝從極片、電池組裝以及注液,再到生產設備,其實完全是從鋰離子電池行業脫胎而來。因此雙方的產業鏈可以進行對接。再加上SES鋰金屬電池采用的滾壓制備方式,使得其形狀也可做到和適用于高端汽車的高鎳電池、以及針對大眾型汽車的無鎳磷酸鐵鋰等電池完全匹配——即正極材料和形狀,完全可以根據不同市場來改變。“一個更安全、續航里程更高的電池,等于一個更便宜的電池。SES結合了傳統鋰離子電池和全固態鋰金屬電池的優點,開發出的混合鋰金屬電池,既保留了全固態金屬電池的高能量密度優勢,也擁有鋰離子電池生產工藝和可制造性的一些優點。”胡啟朝解釋。不過,從壽命周期來看,混合鋰金屬電池和鋰離子電池相差無幾,都在50萬公里以上。當然,一般當下車企給到的明確保證是在16萬公里左右,實際情況是遠高于此。此外,SES也有自己的難點與痛點,就是負極材料的研發。畢竟目前全球極少有企業可以批量生產又寬又薄的鋰金屬材料,因此某種程度上,這種先進正是也代表著混合鋰金屬電池走向全面難以產業化道路上的難點之一。所以,這也將是SES的目前以及未來的主要攻克方向。產品已進入驗證階段,但量產仍尚需時日“綜合來說,混合鋰金屬電池具備了更高密度、成本更低、重量更輕、安全性更高、充電速度更快、智能化水平更高等六大優勢。不少業內專家認為,以硅為負極主要材料之一的鋰離子電池是目前到2025年的主流。以鋰金屬和特殊電解液材料的混合鋰金屬電池則是要到從2025年開始逐漸上升。”胡啟朝告訴界面新聞記者。換言之,混合鋰金屬電池或將是汽車和動力電池行業的共識。而且,目前SES的混合鋰金屬電池已經不止于實驗室階段,開始和部分車企進行產品驗證。所謂產品驗證,其實車企專門針對動力電池研發方面提出的一項極為漫長的驗證過程。一般包含了工程樣品、A樣品、B樣品和C樣品四個階段共10年的漫長周期。通常,5年左右的時間用于工程樣品研發;之后3年為A樣品開發生產,然后是1年B樣品和1年C樣品的開發生產。據了解,SES在去年已經完成了工程樣品第一階段。并在今年3月和通用汽車達成聯合開發協議,在波士頓為后者開發A樣品電池;5月又和現代汽車與起亞簽署聯合開發協議,為現代開發A樣品電池。預計明年將進行A樣品的優化,2023年和2024年分別研發出B樣品和C樣品,2025年正式裝車上路。這一點上,SES的確走在了所有鋰金屬電池開發商的最前面。據悉,SES的A樣品要做到1GWh產能,B樣品和C樣品也是7到10GWh產能。一般而言,量產上車需要做到10GWh就可以量產上車。圖片來源:SES麻省固能SES和通用汽車已經在波士頓擁有了一條1GWh產能的A樣品生產線,而位于嘉定的上海分部未來也將完成也將在年底擴大面積,開始整個A樣品的開發。據胡啟朝介紹,嘉定基地占地面積6000平方米,主要做6Ah和9Ah的小電芯產品開發中心。馬上,這個基地就會擴展到3萬平方米左右,成為SES全球最重要的基地。未來,將涵蓋電解液、鋰金屬負極、正極、電芯、軟件、模組、安全測試等各方面能力。預計今年年底,嘉定基地就將開始生產1GWh產能的混合鋰金屬電池,并成為SES業務布局的核心,從基礎研發、產品開發到生產工藝,乃至打通整個產業鏈。胡啟朝表示:對于鋰離子電池來說,1GWh的產量并不算大,但對于混合鋰金屬電池來說,這將會是全球最大的生產中心。而為了控制產品質量和降低成本,SES未來還會自己生產電芯、材料、模組,甚至電池管理系統、電池安全軟件等配套產品。預計未來上海生產和研發中心的產能還會再進一步擴大,為下一步B和C樣品的10GWh產能做準備。眼下,這家新興電池公司在為自己打開了一扇新世界大門的同時,也為全球車企和相關動力電池行業,打開了一扇新世界的大門。對此,胡啟朝稱:“混合鋰金屬電池替代鋰離子電池并不會是一個一蹴而就非常迅速的過程,而是逐漸替代。”在他看來,動力電池從最初的鉛酸電池到后來的鎳電池,再到當前市場應用最廣泛的鋰電子電池,未來會最終走向鋰金屬電池。目前,SES在全球約有110位職員,研發人員的比例高達90%,其中很多研發人員都曾在大多來自CATL、LG、SK等著名的鋰離子企業工作過。截止今年9月,SES已在波士頓、上海、新加坡和首爾這四座城市設有重要部門。其中,新加坡為控投總部;波士頓的設施分部主要負責與通用的合作,主攻化學、材料和算法研發,以及一家試驗工廠;而位于上海的嘉定工廠分部,承擔的責任與任務最為復雜——既有制造工藝開發,以及電池、模組和BMS研發部門,又有大型試驗工廠。

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特斯拉要全面使用磷酸鐵鋰電池,相關概念股大漲!

近日,特斯拉發布了第三季度財報。數據顯示,特斯拉在今年第三季度創造了多項紀錄,獲得有史以來最好的凈利潤、營業利潤和毛利率。數據顯示,今年第三季度,特斯拉實現營收137.6億美元,同比增長57%;實現GAAP營業利潤20億美元,營業利潤率為14.6%,連續9個季度盈利;GAAP凈利潤為16.18億美元,同比增長389%,公司汽車業務毛利率達30.5%。值得關注的是,特斯拉在三季度投資者交流會上表示,特斯拉正在全球范圍內將所有標準續航版電動車都改用磷酸鐵鋰 (LFP) 電池。受此消息影響,A股磷酸鐵鋰概念板塊于10月21日出現大幅飆漲。其中,富臨精工(300432.SZ)大漲8.64%,德方納米(300769.SZ)盤中大漲逾5%,股價創下歷史新高。截至10月22日收盤,富臨精工報46.36元/股,上漲3.23%;德方納米股價報540.42元/股,下滑0.66%。此外,磷化工板塊也于近兩日持續走強。截至10月22日收盤,清水源(300437.SZ)漲停,股價報收于28.4元/股;六國化工(600470.SH)漲停;安納達(002136.SZ)、司爾特(002538.SZ)盤中漲停, 云天化(600096.SH)漲逾3%。值得注意的是,清水源近日連續走高,10月18日至今的五個交易日股價已累計大漲近90%。特斯拉帶動相關概念股大漲對于特斯拉擴大磷酸鐵鋰電池使用范圍,西部證券分析表示,隨著磷酸鐵鋰重回鋰電正極材料主流,預期至2025年,其國內需求將超100萬噸,且遠期市場仍將維持較高速度的增長。在此背景下,需求將延“磷酸鐵鋰-磷酸鐵-高純磷酸和工業一銨-黃磷及磷肥-磷礦石”產業鏈向上游傳導。“就中國市場而言,預期到2025年磷酸鐵鋰總需求量預計將突破200萬噸,復合增長率將超50%,是未來發展速度最快的產業之一。如果全球的新能源汽車電池都開始轉向磷酸鐵鋰,那么磷酸鐵鋰的市場空間會更大,發展速度會更快。” 東亞前海證券方面預測,新能源汽車動力電池的磷酸鐵鋰需求預計超過127萬噸,儲能電池需求預計超過73萬噸。值得一提的是,目前全球最大兩家磷酸鐵鋰電池生產商是寧德時代和比亞迪,特斯拉已經在向寧德時代采購磷酸鐵鋰電池。從2020年7月開始,寧德時代就向特斯拉上海工廠供應磷酸鐵鋰電池。在今年6月底,特斯拉再次與寧德時代簽訂協議。協議約定,寧德時代將在2022年1月至2025年12月期間向特斯拉供應鋰離子動力電池產品,具體的采購情況特斯拉以訂單方式確定,最終銷售金額須以特斯拉發出的采購訂單實際結算為準。有跡象顯示,寧德時代也在加速對磷酸鐵鋰材料的布局。繼320億元的邦普一體化電池項目落戶宜昌后,10月18日,寧德時代又投資了一家磷酸鐵鋰材料公司。而在幾年前,寧德時代還入股了國內磷酸鐵鋰材料頭部企業之一的湖南裕能,后者創業板IPO已于近日獲深交所受理。同時,寧德時代還與另外一家磷酸鐵鋰材料頭部企業德方納米有深度合作,雙方今年1月約定在四川省宜賓市江安縣投建“年產8萬噸磷酸鐵鋰項目”,項目總投資約18億元。此外,據財聯社報道稱,在賓夕州蘭卡斯特 ( Lancaster ) 建有磷酸鐵鋰電池工廠的比亞迪,也有望獲得特斯拉電池訂單。據悉,上述比亞迪工廠距離特斯拉弗里蒙特工廠僅500英里左右,目前產能僅1GW,但可通過對產線的升級改造滿足特斯拉前期對磷酸鐵鋰電池的需求。報道中援引知情人士的消息稱,“比亞迪已獲得了特斯拉10GWh的訂單”。對于這一說法,比亞迪方面表示“不予置評”。裝機量連續超越三元鋰電池今年以來,憑成本低廉、安全性強等優勢,磷酸鐵鋰電池成功對三元鋰電池實現“逆襲 ”,獲得了越來越多車企的青睞。在今年9月30日工信部最新發布《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄》(2021年第9批)中,共有52款新能源乘用車入選,其中搭載磷酸鐵鋰電池車型25款,占比48%。實際上,自今年5月份開始,磷酸鐵鋰電池首先在產量上重新反超三元鋰電池,隨后又于7月份在裝車量上對其實現超越。中國汽車動力電池產業創新聯盟發布的數據顯示,今年7~9 月,磷酸鐵鋰電池在動力電池市場所占比重也逐月提升,占比分別為53.8%、56.9%、58.3%;到9月份,磷酸鐵鋰電池的產量已經是三元鋰電池的1.4倍,裝機量為1.6倍。有觀點認為,兩者差距的不斷拉大,呈現出磷酸鐵鋰電池對三元鋰電池加速替代的趨勢。“磷酸鐵鋰的循環性能更好,充放電循環次數可以達到3500次~4000次左右,而三元鋰的充放電循環次數為1500次~2000次左右。使用壽命長,加之磷酸鐵鋰能量密度不斷提升之后,優勢更為明顯。同時,在補貼退坡和三元鋰電池原材料鈷、鋰、鎳大漲的情況下,車企改用磷酸鐵鋰以謀降本增效,也是磷酸鐵鋰電池獲得更多機會的主要原因。”隆眾資訊鈷行業分析師趙超表示。據華安證券測算,磷酸鐵鋰的使用成本約為0.08元/Wh,相比三元正極材料可以節省0.15元/Wh~0.21元/Wh,對應降低成本65%~72%。在現行補貼政策下,帶電量55kWh、續航405公里的三元電池替換為磷酸鐵鋰電池,成本可下降0.46萬元~0.56萬元。“目前磷酸鐵鋰被廣泛使用的主要原因在于,磷酸鐵鋰的價格相對三元鋰來說能夠低20%左右。另外,從長期來看,大家不希望三元鋰電池的增長把鎳的需求拉得太高,而前期也是擔心鈷的供應會不足。磷酸鐵鋰與三元鋰均衡發展對資源壓力會相對小一點。”全國乘用車市場信息聯席會秘書長崔東樹表示。

作者: 董天意 詳情
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鋰電池安全問題及失效分析

鋰電池容易發生起火爆炸等事故,本質上是由于其有機材料體系造成的。鋰電池在使用或儲存過程中會出現一定概率的失效, 包括容量衰減(跳水)、循環壽命短、內阻增大、電壓異常、析鋰、產氣、漏液、短路、變形、熱失控等, 嚴重降低了鋰電池的使用性能、一致性、可靠性、安全性。對鋰電池失效進行準確診斷并探究其失效機理是鋰電池失效分析的主要任務, 對鋰電池性能提升和技術發展也具有深遠意義。一、鋰電池安全問題表現二、鋰電池失效產生途徑途徑1:途徑1主要與鋰離子電池的內部短路有關。鋰離子電池的內部短路是其安全問題的最重要誘因,大部分的安全問題都是由于內部短路引起的。內部短路是電池內的正負極短路,一般是由生產過程中混入的金屬雜質、電極金屬箔在剪切時造成的毛刺、使用過程中形成鋰枝晶以及受到擠壓等意外機械應力引起。內部短路時會產生大量的熱,從而引起安全問題,內部短路對電池電壓和溫度的影響見圖1。圖1 內部短路對電池電壓和溫度的影響在大多數情況下,鋰離子電池內部短路引起的安全問題表現為著火和爆炸危險,而普通的過熱危險一般被認為是可以接受的危險。途徑2:途徑2主要與電路故障有關,如圖2所示。為了對鋰離子進行充放電管理及安全保護,在使用電池的宿主設備或適配器中需要設計充放電管理電路,在部分設備內還有放電的負載電路。圖2 可能會出現故障的電路為了對鋰離子電池進行保護,在封裝過程中需要在電池組中加入保護電路板。這些電池組內部的或外部的電路都有可能出現故障,進而引起電池的過壓充電、過度充電、過度放電、外部短路、過載等電應力條件,這些條件也可能會導致過熱、著火、爆炸等危險。在電應力條件中,過壓充電和過度充電會產生劇烈的副反應,產生大量的熱,從而導致熱失控;過度放電會導致電池的電壓低于廠商規定的放電截止電壓,此時的副反應主要為電解液的分解,產生大量的氣體導致外殼鼓脹破裂引發漏液;外部短路和過載則會使放電電流變大,從而使電池內部溫度或者外部導體的溫度劇增,引發熱失控。途徑3:途徑3主要與誤用、濫用有關。誤用和濫用包括在高溫下使用或存儲(如在車內)、用戶使用了錯誤的充電器(過壓充電)、極性反接充電、在攜帶過程中電池端子被外部的導體(金屬、溶液等)短路。這些誤用和濫用都可能造成電池發出大量的熱,甚至造成熱失控。途徑4:途徑4主要與電池外殼破裂有關。引起外殼破裂的誘因包括內部和外部應力。內部應力是指過度放電等副反應造成的內外壓差;外部應力是指運輸、使用過程中的正常的或者意外的機械應力,如振動、加速度沖擊、跌落等造成的外殼破裂。外殼破裂會使內部的電解液泄漏,從而引起危險。途徑5:途徑5主要與一致性有關。在由多節電池(電芯)通過串聯、并聯以及串并混聯構成的電池組中,電池之間的內阻、開路電壓、容量的一致性會造成對電池組內部的某一電池或電池并聯塊的過壓充電、欠壓放電等,從而引起安全問題。三、鋰電池失效分析介紹國家標準GB3187-82中定義:“失效(故障)——產品喪失規定的功能。對可修復產品,通常也稱為故障。”鋰電池的失效是指由某些特定的本質原因導致電池性能衰減或使用性能異常。鋰電池的失效主要分為兩類:一類為性能失效, 另一類為安全性失效,如圖3所示。性能失效指的是鋰電池的性能達不到使用要求和相關指標,主要有容量衰減或跳水、循環壽命短、倍率性能差、一致性差、易自放電、高低溫性能衰減等;安全性失效指的是鋰電池由于使用不當或者濫用,出現的具有一定安全風險的失效,主要有熱失控、脹氣、漏液、析鋰、短路、膨脹形變等。圖3 常見鋰電池失效的分類失效分析的誕生伴隨失效現象,以判定和預防其發生為目的。失效分析是一種判斷產品失效模式、分析失效原因、預測或預防失效現象的技術活動和管理活動。人們對鋰電池的使用性能指標提出了更高的要求,尤其凸顯在體積/質量能量密度、功率密度、循環壽命、成本、安全性能等方面。例如在《中國制造2025》中提到了能量型鋰電池比能量大于300W·h/kg,功率型鋰電池比功率大于4000 W/kg的發展目標。圖4為1990-2025年鋰離子電池能量密度發展路線圖。為了滿足市場的需求,提高電池的性能與安全性,縮短新體系研發周期,開展鋰電池失效分析是十分必要的。圖4 1990—2025年鋰離子電池能量密度發展路線雖然產品的誕生伴隨著失效,但失效為人們所認知是從失效現象開始, 所以失效分析工作要始于失效現象。首先應從鋰電池失效現象著手,鋰電池失效現象是鋰電池失效分析的第一步, 是最直接最重要的失效信息之一。若沒有充分掌握和分析鋰電池失效的信息,則不能準確獲取鋰電池失效的根本原因,因而不僅不能提供建設性建議或可靠性評估。失效現象分為顯性和隱性兩部分。顯性指的是直接可觀測的表現和特征,例如失效現場出現并可通過粗視分析觀察到的表面結構破碎和形變,包括起火燃燒、發熱、鼓脹(產氣)、變形、漏液、封裝材料破損及畸變、封裝材料毛刺、虛焊或漏焊、塑料材質熔化變形等。隱性指的是不能直接觀測而需要通過拆解、分析后得到的或者是模擬實驗中所展現的表現和特征,例如通過實驗室拆解檢測到的微觀失效,以及模擬電池中電學信息等。鋰電池失效過程中常有的隱性失效現象有正負極內短路、析鋰、極片掉粉、隔膜老化、隔膜阻塞、隔膜刺穿、電解液干涸、電解液變性失效、負極溶解、過渡金屬析出(含析銅)、極片毛刺、卷繞(或疊片)異常、容量跳水、電壓異常、電阻過高、循環壽命異常、高/低溫性能異常等。失效現象的范圍常常會與失效模式的范圍有交集,失效現象更偏向對現象的直接描述,屬于對失效過程的信息收集和描述;失效模式一般理解為失效的性質和類型,是對失效的歸類和劃分。鋰電池失效現象是電池失效表現的大集群,對其進行定義和分類是十分必要的。失效是失效原因的最終表現,也是失效原因在一定時間內疊加失效現象的結果。失效分析的重要任務之一是對失效原因進行準確判定。常見的鋰電池失效原因有活性物質的結構變化、活性物質相變、活性顆粒出現裂紋或破碎、過渡金屬溶出、體積膨脹、固體電解質界面(SEI)過度生長、SEI分解、鋰枝晶生長、電解液分解 或失效、電解液不足、電解液添加劑的失配、集流體腐蝕或溶解、導電劑失效、黏結劑失效、隔膜老化失效、隔膜孔隙阻塞、極片出現偏析、材料團聚、電芯設計異常、電芯分容老化過程異常等。圖5展示的是鋰電池內部失效情況。從鋰電池失效原因研究內容可將其分為外因和內因。其中外因包括撞擊、針刺、腐蝕、高溫燃燒、人為破壞等外部因素;而內因主要指的是失效的物理、化學變化本質, 研究尺度可以追溯到原子、分子尺度, 研究失效過程的熱力學、動力學變化. 鋰電池的失效歸根結底是材料的失效。材料的失效主要指的是材料結構、性質、形貌等發生異常和材料間失配。例如,正極材料因局部Li+脫嵌速率不一致導致材料所受應力不均而產生的顆粒破碎,硅負極材料因充放電過程中發生體積膨脹收縮而出現的破碎粉化,電解液受到濕度溫度的影響發生分解或變質,石墨負極與電解液中添加劑的碳酸丙烯酯(PC)發生的溶劑共嵌入問題, N/P(負極片容量與正極片容量的比值)過小導致的析鋰。圖5 鋰電池內部失效情況鋰電池的失效原因并不總能與失效一一對應, 存在“一對多”、“多對一”和“多對多” 的關系。某一失效原因可能在時間跨度中有不同的表現,例如充放電制度異常導致大電流充放電,最開始可能會表現出極化較大,中間階段會因鋰枝晶的析出導致內短路,隨后伴隨著鋰枝晶的分解與再生,最后可能會出現熱失控。某一失效原因可能會發生多種截然不同的失效,例如局部過渡金屬的析出,可能會產生氣體,形成鼓脹的失效表現,但也可能因為內短路形成局部發熱,進而導致隔膜收縮,引起大面積的熱失控。某一個失效現象可能對應著多種失效原因,例如容量衰減究其失效機理有材料結構變化、微結構破壞、材料間接觸失效、電解液失效或分解、導電添加劑失效等。失效分析分為兩個方向:其一為基于鋰電池失效的診斷分析,是以失效為出發點,追溯到電池材料的失效機理,以達到分析失效原因的目的;其二為基于累積失效原因數據庫的機理探索分析,是以設計材料的失效點為出發點,探究鋰電池失效發生過程的各類影響因素,以達到預防為主的目的。鋰電池的診斷分析以鋰電池失效為出發點,根據電池的失效表現,對電池進行電池外觀檢測、電池無損檢測、電池有損檢測以及綜合分析。面對實際案例時,需要根據不同情況對分析流程及測試項目進行調整和優化。以容量衰減電池失效分析為例(如圖6所示),結合失效表現和使用條件細化失效行為,并提供相應分析側重點。如正常循環衰減,則后期分析注重于材料結構變化、SEI過度生長以及析鋰等因素。圖6 某款電池容量衰減失效分析流程通過對失效電池外觀檢查, 確定是否存在外部結構變化或電解液外漏等因素。無損檢測主要包括微米X射線斷面掃描(XCT)和全電池電化學測試。通過無損檢測分析的結論,進一步確認內部結構變化情況、量化失效行為、選擇測試項目、調整分析流程。例如,對比圖7中某款 LiFePO4/C失效電池和新鮮電池全電池充放電曲線分析顯示放電容量衰減21%,進一步對充放電曲線處理得到容量增量(IC)曲線,根據曲線峰位整體向高電位移動,表明存在材料結構變化引起鋰脫嵌難度增加,結合3.27V和3.32 V處更為明顯的峰強變化,表明該電池容量衰減主要是由于活性鋰源損失及活性材料結構破壞,并且進一步佐證了分析側重點。圖7 某款LiFePO4/C失效電池和新鮮電池全電池(a)充放電曲線及(b)對應放電曲線的IC曲線所謂電池有損檢測是指通過電池拆解、極片觀察及材料測試分析來確定正負極片、活性材料以及隔膜等因素在電池失效中的作用。其中材料的測試分析則以物化性能和電化學性能測試為主。例如對上述LiFePO4/C失效電池極片進行掃描電子顯微鏡(SEM)形貌測試結果顯示正極材料有明顯的結構破壞,X射線衍射(XRD)結構譜圖中18.5?和31?峰強的增加揭示了Fex(POy)相的增加,即正極材料存在相變現象(如圖8所示)。對極片表面進行X射線光電子能譜(XPS)分析,以及對極片進行半電池測試則能夠定性和定量分析極片表面SEI和容量損失。最后總結得出定性或定量的失效原因,并提供分析報告。鋰電池失效機理研究是通過大量基礎科研,以及構建合理模型和驗證實驗, 準確模擬分析電池內部復雜的物理化學反應過程, 找出電池失效的本質原因,構建失效原因數據庫。電池機理分析可能會從不同角度去開展,包括設計材料角度和設計失效角度。圖8 某款LiFePO4/C失效電池和新鮮電池極片 (a) SEM 照片; (b)XRD譜圖以材料體系為出發點,設計不同的變量分別對電池或材料的失效機理進行研究(如圖9所示)。其中,以材料體系為出發點的機理分析工作常以基礎科研的形式進行,此類工作在科研院校中居多。需明確實驗目的,如“對比研究某材料體系常溫下高倍率充放電的容量衰減機理”,“研究某款電解液添加劑對電池高溫循環性能的影響”等。設計實驗流程,并通過制備電池,模擬電池使用環境或使用條件以達到預期失效的目的。對失效電池進行逆向解析, 結合材料體系分析電池失效機理。圖9 鋰電池失效機理研究流程示意圖除了失效分析流程的設計外,鋰電池失效分析主要步驟還包括失效信息采集、失效機理研究、測試分析手段等內容。采集鋰電池的失效信息,包括直接失效現象、使用環境、使用條件等內容。雖然失效分析工作內容主要包括明確分析對象、收集失效信息、確定失效模式、研究失效機理、判定失效原因、提出預防措施,但失效分析不應局限于以找出產品失效的本質原因為目的,應引發到對技術管理方法、標準化規范、失效現象深層次機理的思考, 以及融入大數據和仿真模擬等新思維。失效分析的最終目的是確定準確的失效模式,定量分析準確的失效原因,尤其是理清失效機理,積累失效分析數據庫,完成“失效現象-失效模式-失效原因-改進措施-模擬實驗”完整數據鏈以及“原始材料-制備工藝-使用環境-梯度利用及拆解回收”全壽命周期的失效研究。現階段,正在構建“鋰電池失效數據庫”。未來,鋰電池失效分析將實現電子化和智能化,通過采集失效現象,結合“鋰電池失效數據庫”,給出失效機理初步預測以及合理、高效的測試分析流程、在此過程中,還需要解決很多困難,例如: 優化失效分析流程、提供測試分析技術、攻克測試技術難點、規范測試分析方法等。四、失效分析難點鋰電池失效原因與失效之間并不是簡單的“一對一”模式,還有“一對多”、“多對一”、“多對多”等多維關系。此外,引起鋰電池失效的原因分為內因和外因,可以是來自組成材料本身的結構、物化性質的變化,也可以是設計制造、使用環境、時間跨度等復雜因素。因此,鋰電池的失效原因和失效之間的構效關系十分復雜(如圖10所示)。例如,正/負極材料的結構變化或破壞,都會產生容量上的衰減、倍率性能下降、內阻增大等問題;隔膜老化、刺穿是電池內短路的重要因素;電池的設計,極片涂布、滾壓、卷繞等過程都直接與電池容量及倍率性能的發揮密切相關;高溫環境會導致電池電解液發生分解變質,也會引起容量衰減、內阻增大、產氣等問題。故想用單一失效原因去描述并剖析失效是不正確的,且需要用定量角度剖析多種失效原因在某一階段的影響權重和主次關系,才能對失效電池進行準確的評估,并針對性地提出合理的措施。圖10 鋰電池使用條件、失效原因及失效現象的關系圖鋰電池本身就是屬于現代控制論中的灰箱(灰色系統),即對其內部物理、化學變化機理及熱力學與動力學過程不是完全了解。眾所周知,鋰電池主要由正極材料、負極材料、隔膜、電解質、溶劑、導電劑、黏結劑、集流體、極耳等組成。電池制備流程包含前段、中段、末段三部分,包括打漿、涂布、烘干、輥壓、分條、配片、模切或卷繞、入殼、極耳焊接、注液、封口焊接、化成分容等步驟。圖11展示了鋰電池常見的制備過程, 圖中描述了各個生產過程中存在的影響電池使用性能的因素。但各個關鍵材料之間并不是獨立存在的,各個制備步驟也不是獨立存在,它們之間是相互關聯、相互影響的,且會因應用領域的改變而發生較大變化。圖12表示電池材料性質與性能的關系,目前常見的鋰電池正極材料有LiCoO2,LiFePO4,LiMn2O4,Li2MnO3-LiMO2,LiNixCoyAl1?x?yO2, LiNixCoyMn1?x?yO2, LiNi0.5Mn1.5O4等。常見的鋰電池負極材料有天然石墨、人造石墨、中間相碳微球MCMB、Li4Ti5O12、軟碳、硬碳、硅負極、SiOx-C負極、金屬鋰、復合金屬鋰等。根據不同的使用環境和要求, 選擇不同的正負極體系,配以適當的電解液體系及其他輔助材料,在合適的制備流程下,做成滿足使用需求的各類形式鋰電池。合格的鋰電池會應用到各行各業,尤其在電動汽車、船舶、航天航空等領域。從材料制備到產品使用的過程充滿著可變性、復雜性,因此,對鋰電池失效分析不能僅局限于電池關鍵材料的失效,同時要對材料結構、合成加工、性能設計、制造流程、服役情況、失效表現等進行綜合考慮。圖11 鋰電池常見制備過程設計的影響因素圖12 電池材料性質和電池性能的關系除了上述難點之外,還存在一些技術難點,包括對鋰電池材料失效的分析需要使用到樣品收集/篩選技術、樣品轉移技術、合理準確的表征分析技術。在對樣品進行收集和篩選之前,對不同規格的電芯進行合理有效的拆解十分重要。現階段多為手動拆解或半自動化拆解,拆解過程中存在短路、破壞關鍵材料等隱患。電池內產氣和電解液的收集仍然存在一定困難,尤其在產氣收集過程中容易引入雜質氣體,剩余電解液量過少導致不易收集以及測試困難。絕大多數鋰電池材料對空氣敏感,尤其對空氣中的水分和氧分。這也對樣品的轉移技術提出了一些要求。圖13 常見測試分析設備的樣品轉移盒中國科學院物理研究所失效分析團隊多年來從事相關研究工作,努力發展的全自動電池拆解儀器目前處于試用階段,發展了針對不同型號電池的氣體收集裝置,以及發展了常規測試設備的氣氛保護殼或樣品轉移盒(如圖13所示)以實現樣品轉移和測試過程中的惰性氣氛保護。圖14展示了鋰電池內部各類失效常規的表征分析技術,分別從電極和材料兩個角度講解了電極表面覆蓋膜、顆粒表面覆蓋膜、材料孔隙堵塞、材料接觸失效、顆粒破碎、過渡金屬溶出與遷移等失效的表征技術。而在更為微觀的原子層面的材料失效表征,以及三維成像表征方面仍然存在不足。因此,一些原位實驗技術、同步輻射技術、中子衍射技術、重構成像技術、納米CT、球差電鏡等也被引入到鋰電池失效分析中, 揭示了更深層次的失效機理。但失效分析并不是以高端表征分析手段為噱頭,而是根據失效問題進行嚴格、完備的邏輯分析后, 制定合適的分析流程,采用必要的表征分析手段。圖14 常見電池內部失效點的表征分析技術五、規范測試分析方法不同的分析小組采用同樣的測試分析技術,實驗結果會有一定的差異,即使是同一分析小組在后期重復性實驗中,得到的實驗結果也會存在差異。失效分析最終目的是提出關鍵性解決措施,實驗結果的差異會讓解決措施差之毫厘謬以千里。這些問題并不局限在鋰電池失效分析中,而廣泛存在于機械工程、汽車工程、航空工程等其他領域的失效分析中。因此,標準化分析流程成為了必然的趨勢。除了常規的材料物化分析技術之外,材料預處理、轉移環境以及數據分析的規范化, 對準確分析材料、認清失效機理都是必要的。例如,測試樣品的預處理會影響檢測結果準確性,樣品的氣氛保護、電解液/氣體的收集環境、電極材料混合物的分離均與測試結果和分析結論息息相關。現階段,不同廠家的材料體系、電池型號、制備方法和流程都存在一定的差異,其電化學性能、物化性能及安全性能都受到直接影響,這給失效分析帶來了更多的變量和不確定性。現行的鋰離子電池測試標準多針對電池單體或電池包等產品的安全性及電性能的測試,如IEC 61960, JIS-C-8711主要側重于鋰離子電池的電性能測試;IEC62133, UL2054, UL1642 和JISC-8714等標準主要側重于電池產品的安全性能的測試標準。國內現行多款測試分析標準,多數以材料為出發點,涉及材料性能和含量的測定方法,如表1所列。此外,針對電池組和電池包的 GB/T 31467《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統》,以及針對單體電池制定的GB/T 18287《移動電話用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規范》包含了部分安全檢測和性能測試項目。表1 國內現行鋰電池相關標準鋰電池的機理分析主要在高校和研究所開展,其從基礎科學的角度,對鋰電池失效問題進行分析研究,在測試分析技術方面有著豐富的經驗。大量的先進測試表征技術應用到鋰電池的測試分析中,如中子衍射、納米CT、球差電鏡以及原位檢測技術等,這為更加精準地分析材料層面的失效機理提供了支持。如圖14所示,Xu等采用原位透射X射線成像技術深層次地研究了軟包電池中LiCoO2材料的形貌結構失效與化學元素分布之間的變化關系以及相關的失效機理;Finegan等采用原位高頻X射線斷層掃描儀結合熱成像技術,“原位”可視化地研究了兩款商業電池在不同條件引起的熱失控過程中內部結構和熱動力學的變化,為研究和預測熱量生成和消散的關鍵因素提供了技術支持;中國科學院物理研究所Gong等在球差透射電子顯微鏡的基礎上,發展了原位技術,從納米層級實時觀測和分析電池材料脫嵌鋰過程,對電池材料的失效機理研究提供了重要的技術保障。電池企業及材料企業各自開展鋰離子電池失效分析的研究,但多偏重于電池制造工藝和材料的研發制備,以提高電池性能、降低電池成本為直接目標,多采用大量正向驗證實驗,并累積了豐富的經驗和方法,但在逆向解析和精準分析方面存在經驗和技術仍有欠缺的問題。出于效率和效益的角度考慮,相關企業更希望在現有常規測試技術的基礎上發展具有高效性、準確性和普適性的失效分析方法,這對設計測試分析流程提出了更高的要求。(來源:鋰電池失效分析與研究進展 作者:王其鈺 、李泓等 儲能科學與技術)

作者: 王其鈺 李泓等 詳情
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西安交大科研人員在高比能鋰離子電池研究領域取得新進展

汽車產業是國民經濟的重要支柱產業,也是體現國家競爭力的標志性產業。新能源汽車基于驅動技術的重大轉型,是汽車產業對能源安全、氣候變化和結構升級的重要突破口。近年來,以電動汽車為代表的高新技術領域對鋰離子電池的能量密度、使用壽命提出了更高的技術需求,亟需開發新型高比容電極材料,解決續航里程焦慮問題。硅負極理論容量高達4200 mAh/g,十倍于傳統石墨負極,被認為是新一代高比能鋰離子電池負極的理想選擇。然而硅負極在充放電過程中存在著巨大的體積膨脹(>300%),由此產生的內應力易導致硅顆粒的嚴重粉化和界面膜的不穩定,嚴重阻礙了其實際應用。設計新型聚合物粘合劑用于硅負極被認為是一種緩減其體積膨脹、維持其結構穩定的有效方法,受到了研究人員的廣泛關注。然而,目前已報道粘合劑易在大應力下產生分子鏈滑移,引起電極結構破壞,最終導致電池容量快速衰減。梯度氫鍵粘合劑的能量耗散次序示意圖近日,受天然抗疲勞肌聯蛋白高效應力耗散現象啟發,西安交通大學宋江選教授團隊報道了一種梯度氫鍵聚合物粘合劑用于解決高比容硅基負極大體積膨脹導致的應力破壞。研究人員利用具有超支化結構的單寧酸和聚(丙烯酸-co-2-羥乙基丙烯酸酯)構建了具有高效應力耗散功能的水系粘合劑。當應用于硅基負極時,該體系存在的多級氫鍵(-2.88 kcal mol-1~ -10.04 kcal mol-1)可以連續解離,高效地進行能量/應力耗散,從而避免了大應力導致的結構破壞,有效解決硅負極的大體積膨脹問題,顯著提升其循環穩定性。所制備的2 Ah NCM/Si-C軟包電池700次循環后容量保持率高達80.2%,有力地證明了該梯度能量耗散型粘合劑的實用性。研究人員進一步通過變溫紅外光譜、核磁共振等表征方法并結合有限元模擬揭示了梯度氫鍵的演化和能量耗散機制。相關成果發表在國際知名期刊《先進材料》(Advanced Materials)上,西安交通大學材料學院博士生虎琳琳為文章第一作者。在此基礎上,團隊進一步基于動態二硫鍵的交換作用發展了兼具自修復功能和應力耗散功能的雙功能聚合物粘合劑,實現硅基負極裂紋的快速自修復,相關成果發表在《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)上。新型自適應智能粘合劑的開發為高比容電極材料的廣泛應用奠定了堅實基礎。上述成果均以西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室為第一單位,通訊作者為西安交通大學材料學院宋江選教授,論文合作者包括材料學院Goran Ungar教授、鄧俊楷教授、張啟路副教授。論文表征及測試得到西安交通大學分析測試共享中心和材料學院分析測試中心的支持。該研究工作得到了國家自然科學基金、陜西省重點研發計劃、中央高校基本科研業務費專項資金和西安交通大學青年拔尖人才計劃等資助。圖片(來源:西安交大)

作者: 沈陽蓄電池研究所新聞中心 詳情
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儲能鈉電池技術的挑戰與前景

一、前言2017 年 10 月,國家發展和改革委員會、國家能源局等五部委聯合出臺了《關于促進我國儲能技術與產業發展的指導意見》,指出加快儲能技術與產業發展,對于構建“清潔低碳、安全高效”的現代能源產業體系具有重要的戰略意義。這一政策的出臺直接推動了“十三五”期間我國儲能產業的蓬勃發展。隨著“十四五”期間“雙碳”目標的提出,2021 年 4 月,國家發展和改革委員會、國家能源局再次聯合發布了第二部針對儲能產業的國家級綜合性政策文件《關于加快推動新型儲能發展的指導意見(征求意見稿)》,明確提出到 2025 年,實現 3000萬kW 的儲能目標,實現儲能跨越式發展;到 2030 年,實現新型儲能全面市場化發展。《關于加快推動新型儲能發展的指導意見(征求意見稿)》還指出,儲能技術要以需求為向導,堅持多元化發展,這為儲能技術的發展明確了目標和方向。目前,儲能系統從發電側、輸配電側到用戶側的一系列支撐服務逐漸成為彈性和高效電網的重要組成部分。較小型的分布式儲能系統今后也將更廣泛地在家庭、企業和通信基站中推廣應用。我國儲能呈現多元化發展的良好態勢:抽水蓄能發展迅速,鋰離子電池儲能技術成熟度飛速提高,壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導儲能和超級電容、鈉硫電池、液流電池、鉛蓄電池等儲能技術研發應用加速,儲氫、儲熱、儲冷技術也取得了一定進展。其中,電化學儲能(或二次電池儲能)技術相對于水電、火電等常規功率調節手段具有較大技術優勢:響應時間為毫秒級,跟蹤負荷變化能力強,便于精確控制;對實施的地理環境要求較低;具有削峰填谷的雙向調節能力。2021 年 4 月,中關村儲能產業技術聯盟(CNESA)發布的《儲能產業研究白皮書 2021》顯示,截至 2020 年年底,中國已投運儲能項目累計裝機規模 35.6 GW,占全球市場總規模的 18.6%,同比增長 9.8%,其中電化學儲能的累計裝機規模僅次于抽水蓄能,位列第二。目前,各種電化學儲能技術的基本特征和成熟度各不相同,每一種技術都有不同的數量在全球不同的地點進行部署。包括鋰離子電池、鈉硫電池、鈉 – 金屬氯化物電池、液流電池和鉛酸電池在內的 5 類電池技術已經被認為是較可靠的能源供應體系,在全球范圍內有兆瓦級的裝機規模。2017 年以來,鋰離子電池急劇發展,占據了中國和美國儲能市場絕大部分份額,技術成熟度不斷提高。隨著越來越多鋰電儲能系統的部署,安全事故的風險也隨之增加,尤其是電池熱失控導致的安全事故頻發引起了人們的重視和擔憂。2019 年,國家電網有限公司發布《關于促進電化學儲能健康有序發展的指導意見》,意見強調要嚴守儲能安全紅線。不僅如此,鋰等元素昂貴,地殼中含量少且分布極不均勻,對于長期規模化應用而言可能會成為一個重要問題。鈉元素和鋰元素有相似的物理化學特性,且在地殼中儲量豐富,資源分布廣泛,因此發展針對規模化儲能應用的儲能鈉電池技術具有重要的戰略意義,近年來得到研究者的廣泛關注。已經在儲能領域規模化應用的鈉電池體系主要包括兩種,即基于固體電解質體系的高溫鈉硫電池和鈉 – 金屬氯化物電池體系。它們的負極活性物質均為金屬鈉,更準確地被稱為鈉電池。鈉離子電池通常指有機體系鈉離子電池,由于其技術水平提升較快,成為極有前景的儲能電池之一。目前全球從事鈉離子電池工程化的公司已有 20 家以上。最近,中國科學院物理研究所與中科海鈉科技有限責任公司聯合推出的 1 MWh 鈉離子電池光儲充智能微網系統在山西太原投入運行。寧德時代新能源科技有限公司(CATL)近期也發布了他們的第一代鈉離子電池,能量密度達到 160 Wh/kg。然而鈉離子電池尚未在儲能產業上大規模推廣,其應用優勢有待驗證。水系鈉離子電池具有環保、低成本、制造方便、安全性好、易回收等優點,但是存在電壓窗口較低、電極材料副反應等嚴重影響壽命的問題。因此,本文主要針對大規模儲能用安全性改善的鈉硫電池和鈉 – 金屬氯化物電池儲能鈉電池體系進行綜述和研究。二、儲能鈉電池技術概述(一)鈉硫電池鈉硫電池是一種基于固體電解質的高溫二次電池,它以鈉作為陽極,以滲入碳氈中的硫作為陰極,傳導鈉離子的 β"- 氧化鋁陶瓷在中間同時起隔膜和電解質的雙重作用 。它的電池形式為(–)Na(l) | β"-Al2O3 |S/Na2Sx(l)|C(+),其中 x=3~5,基本的電池反應是:2Na+xS ←→ Na2Sx。電池的工作溫度控制在 300~350 ℃,此時鈉與硫均呈液態,β"- 氧化鋁具有高的離子電導率(~0.2 S/cm),電池具有快速的充放電反應動力學。鈉硫電池以 Na2S3 為最終產物的正極理論比容量約為 558 mAh·g–1,在 350 ℃的工作溫度下具有 2.08 V 的開路電壓。鈉硫電池一般設計為中心負極的管式結構,即鈉被裝載在陶瓷電解質管中形成負極。電池由鈉負極、鈉極安全管、固體電解質(一般為 β"- 氧化鋁)及其封接件、硫(或多硫化鈉)正極、硫極導電網絡(一般為碳氈)、集流體和外殼等部分組成。通常固體電解質陶瓷管一端開口一端封閉,其開口端通過熔融硼硅酸鹽玻璃與絕緣陶瓷進行密封,正負極終端與絕緣陶瓷之間通過熱壓鋁環進行密封。鈉硫電池擁有許多優良的特性:①比能量高。目前,鈉硫電池的實際能量密度已達到 240 Wh/kg 和 390 Wh/L 以上,與三元鋰離子電池相當。②功率密度高。用于儲能的鈉硫單體電池功率可達到 120 W 以上,形成模塊后,模塊功率通常達到數十千瓦,可直接用于儲能。③長壽命。電池可滿充滿放循環 4500 次以上,壽命為 10~15 年。④庫倫效率高。由于采用固體電解質,電池幾乎沒有自放電,充放電效率約為 100%。⑤環境適應性好。由于電池通過保溫箱恒溫運行,因此環境溫度適應范圍廣,通常為–40~60℃。⑥電池運行無污染。電池采用全密封結構,運行中無振動、無噪聲,沒有氣體放出。⑦電池原料成本低廉,無資源爭奪隱患,結構簡單,維護方便。(二)鈉 – 金屬氯化物電池鈉 – 金屬氯化物電池(也稱 ZEBRA 電池)可與鈉硫電池統稱為鈉-beta 二次電池,其結構與鈉硫電池類似,負極是液態的金屬鈉,β"-Al2O3 陶瓷作為固態電解質,不同的是,ZEBRA 電池工作溫度略低,為 270~320℃,正極部分由液態的四氯鋁酸鈉(NaAlCl4)輔助電解液與固態的金屬氯化物組成,其中氯化鎳的應用研究最為廣泛。鈉 – 氯化鎳電池的基本電池反應是:2Na+NiCl2 ←→ 2NaCl+Ni, 300 ℃下開路電壓為 2.58 V。與鈉硫電池類似,鈉 – 金屬氯化物電池同樣具有長壽命、庫侖效率高、環境適應性好、無污染運行等特點。鈉 – 金屬氯化物電池的實際比能量偏低,為 110~140 Wh/kg,但仍是鉛酸電池的 3 倍左右,而且還具有其他一些值得關注的優良特性:①高安全性。鈉 – 金屬氯化物電池具有短路溫和放熱和過充過放可逆等特點,確保電池在電氣和機械濫用時的高安全性。②無鈉組裝。電池以放電態組裝,僅在正極腔室裝填金屬粉體、氯化鈉和電解液,制造過程安全性高。③高電壓。開路電壓較鈉硫電池提高 20% 以上。④維護成本低。電池內部短路時特有的低電阻損壞模式大大降低了系統的維護成本。(三)儲能鈉電池生產制造的核心技術高溫鈉硫電池電芯的核心技術包括了 β"- 氧化鋁精細陶瓷的燒制、電池密封技術、負極潤濕保護管設計、正極外殼防腐蝕和正負極裝填技術等。首先,β"- 氧化鋁精細陶瓷的質量和一致性深刻影響電池的電化學性能和安全特性,是最為關鍵的一環。其次,任何一個密封部件的損壞都會導致正負極材料的蒸汽直接接觸而發生反應,因此電池密封技術成為鈉硫電池的核心技術之一。再次,熔融硫和多硫化鈉對金屬具有強腐蝕性,因此包括作為正極集流體的外殼在內的接液部件的防腐蝕技術也是鈉硫電池實用化的關鍵。最后,電池正負極的有效裝填及其與固體電解質之間界面的潤濕層設計是電池高性能運行的必備要素。相對于鈉硫電池,鈉 – 氯化鎳電池電芯無須對外殼進行防腐蝕處理,但是正極長循環穩定技術成為電池的核心技術之一。高溫鈉電池模組的核心技術包括了絕熱保溫箱技術、模組熱管理技術、模組內 / 間阻燃技術以及電池管理系統與保護電路設計等。電池的高溫運行環境對電池保溫箱提出了較高的要求。絕熱保溫箱技術一方面需要保證電池在待機時的低電耗,另一方面還要保證保溫箱輕量化,以提升電池整體的能量密度。由于電池放電模式下的化學反應為放熱反應,此時模塊內部將出現 22~35 ℃的升溫,而充電過程中溫度會下降到待機水平。長時間的升降溫循環不僅考驗電池密封材料的熱機械性能,還對模塊的熱管理提出了快速響應的要求,否則可能造成溫度無法及時復原。另外,模組內 / 間防火技術以及電池管理系統與保護電路設計對電池的長期安全運行也具有重要意義。三、儲能鈉電池的應用需求儲能鈉電池可針對極端環境(如高熱、高寒、高鹽腐蝕等)下的風能、太陽能等可再生能源發電企業配套大容量、安全可靠的儲能系統;為載人潛艇、陸軍戰車、水下平臺等提供動力,服務國防科技事業;為第五代移動通信技術(5G)通信基站、數據中心等室內用電大戶提供備用電源,為國家的節能減排事業及“碳中和”戰略做出貢獻。儲能鈉電池的應用領域為鋰離子電池技術提供有益補充,其主要的應用場景如下。(一)極端環境應用隨著全球氣候變暖,國內外 50 ℃以上的極端高溫天氣頻繁,亞熱帶和熱帶地區更是如此。電池的高溫運行需求逐漸受到重視。油氣勘探的井下溫度可超過 170 ℃,能耐受如此高溫的電池很少,目前井下儀器的電能供應采用的是鋰一次電池。軍用電池需要適應多種惡劣的應用環境,被要求在 –50~70 ℃的溫度范圍內正常工作。作為下一代無線通信體系的重要組成,高空平臺通信系統是位于平流層的高空平臺向上連接衛星、向下連接低空無人機和地面節點,作為空中基站或中繼節點,提供快速、穩定、靈活的應急通信系統。高空平臺通信系統運載器是一個保持在 20 km 高度并停留 5 年時間的靜止平臺。運載器所需能源由太陽能電池板提供,對其所搭載的儲能電池要求高比能(>110 Wh/ kg)、性能的高可靠性和穩定性(>5 年壽命和性能降低 <10%)和超低溫運行(–55℃)。另外,海島、近海等高鹽霧環境也限制了大量電池體系的應用。研究表明,鋰離子電池在無人機上的應用受到高低溫環境的極大限制。電池正常使用溫度范圍是 –15~50 ℃。低溫條件下,鋰離子電池面臨的鋰枝晶問題和離子擴散遲緩問題會更加嚴重,高溫條件則會加速鋰離子電池陰極固液界面的副反應和電解液退化,引發嚴重的熱失控。事實上,傳統的液體電解質基二次電池難以滿足極端高低溫應用需求。具有較高的能量密度、10 年以上運行壽命和對環境溫度不敏感等特性的固體電解質基鈉硫電池和鈉 – 氯化鎳電池則被證明非常適合極端高低溫的應用場景。在熱帶沙漠氣候的阿拉伯聯合酋長國,鈉硫電池被認為是比鋰離子電池更優異的儲能技術。在日本,鈉硫電池被選擇成為火箭發射場的備用電源。ZEBRA 電池作為高低溫下可靠耐用的二次電池,目前已成為井下設備電源的優選方案,同時也針對高空平臺通信系統運載器開展應用示范。(二)高安全應用高安全應用場景指發生安全事故時難以止損或事故代價大的應用場景。近年來,隨著大數據、物聯網、云計算等技術的發展,大型數據中心的建設速度激增,運營規模也越來越大。然而,一方面,數據中心需要大量的電能來維持正常運營,電力成本成為數據中心的重要成本組成。通過智能微網的建設來降低能耗已成為各大數據中心運營公司降本增效的重要途徑。另一方面,數據中心需要配備非常安全可靠的備用電源以應對不時之需。大型數據中心等室內儲能或備用電源高安全應用場景對其儲能系統的安全性提出了更高的要求。交通運輸領域的危化品運輸車、地下裝載機等交通工具以及水下應用領域的載人潛水器、深海平臺用電源等也對電源安全性提出了更高的要求。ZEBRA 電池作為一種電化學本征安全的電池體系,在高安全要求的領域具有其獨特優勢。它曾被選為英國和北約 LR7 型深潛救生艇的動力電源。2013 年,通用電氣有限公司(GE)生產的 ZEBRA 電池成功地為 Coal River Energy 公司位于美國西弗吉尼亞州明礬溪的采礦鏟車提供動力支撐。在儲能安全越來越受重視的今天,ZEBRA 電池體系將會有更大的發展空間。(三)長時儲能長時電化學儲能能夠更加靈活地以半天甚至幾天的時間跨度來管理風能和太陽能的間歇性,將可再生能源轉化為全天候資源,為無碳電網鋪平道路。隨著可再生能源份額的增長,更大的挑戰將是在數周或數月的時間跨度上消除可再生能源產量的可變性。發展長時儲能技術勢在必行。近年來,鋰離子電池在新型儲能建設中占據絕對主導地位,但它們的供電持續時間很少能超過 4 h。雖然鋰離子電池在技術上可以實現更長時間的放電,但是出于資源稀缺和安全性的考慮,將它用于長時儲能的成本通常高于它的價值。鈉硫電池已在全球范圍內提供容量超過 540 MW/3780 MWh 的儲能系統,顯示了有效的調峰、負載均衡和節能減排的能力,被認為是最有效的額定輸出 6 h 以上的長時電化學儲能電池之一。同時,鈉硫電池具有模塊化擴展的特性,有潛力提供 8 h 以上或更長時的供電系統。意大利非凡蓄電池公司(FIAMM)生產的 ZEBRA 電池在歐洲的意大利、法國以及南美洲的圭亞那等地區部署了多個兆瓦級的儲能電站。這些電站的運行情況證實用于大規模電化學儲能的高安全性鈉 – 氯化鎳電池技術已經成熟。四、儲能鈉電池的國內外發展與應用現狀(一)鈉硫電池在國內外的發展與應用現狀雖然鈉硫電池早期在國內外航空航天和電動汽車等領域開展應用示范,但是鈉硫電池的儲能商業化運作始于 1983 年日本礙子株式會社(NGK 公司)和東京電力公司的合作,開發用于靜態能量存儲的鈉硫電池儲能系統。2002 年,NGK 公司正式量產鈉硫電池,并通過東京電力公司開發儲能系統投入商業運行,目前在全球運行了超過 200 個儲能電站項目,4 GWh 以上的鈉硫電池儲能系統。然而, 2011 年 9 月,東京電力公司為三菱材料株式會社筑波廠安裝的鈉硫電池(NGK 生產)系統發生火災,這一事件在一定程度上造成了業界對于鈉硫電池安全性的擔憂。其后,NGK 先對正在運行的鈉硫電池電站的模組和系統進行安全隱患維護,并對新生產的電池在電芯層面和模塊層面同時采取了多種提高安全保障的新措施。通過采取一系列應對舉措后,從 2013 年開始,NGK 生產的鈉硫電池在日本、阿聯酋和歐洲等國家和地區持續有大型儲能項目上線。2016 年 3 月,NGK 公司和九州電力株式會社共同推出的 50 MW/300 MWh 鈉硫電池儲能系統改善電力供需平衡的示范項目開始運行,是當時全球最大的大容量儲能電站(見圖 1a)。2019 年,NGK 在阿布扎比酋長國完成的一個項目使用了 108 MW/648 MWh 的鈉硫電池儲能系統,持續放電時間達 6 h。圖 1b 顯示的是應用于意大利南部高壓電網的 34.8 MW 鈉硫電池儲能電站的局部照片。在意大利,鈉硫電池的電芯和模塊經過了嚴謹的風險評估,包括內源性短路和外源性火災、地震、洪水、直接和間接閃電、蓄意破壞、高空墜落等濫用場景。評估結果顯示,經過安全性提升的鈉硫電池技術具有較高的安全可靠性。圖 1 鈉硫電池儲能系統 / 電站的商業應用實例近些年,鈉硫電池技術在日本以外的其他國家也得到了應用研究和推廣,包括美國、中國、韓國、瑞士等。2006 年,由中國科學院上海硅酸鹽研究所(SICCAS)與上海電力公司合作開展用于大規模儲能應用的鈉硫電池研究。SICCAS 開發的 30 Ah 和 650 Ah 兩種規格鈉硫單體電池具有良好的循環穩定性,壽命超過 1200 次。此后,一條年產能 2 MW 的 650 Ah 單電池中試生產線建成。2010 年上海世界博覽會期間,中國科學院上海硅酸鹽研究所和上海電力公司合作,實現了 100 kW/800 kW 鈉硫電池儲能系統的并網運行(見圖 1c)。2011 年 10 月,上海電氣集團與中科院上海硅酸鹽研究所以及上海電力公司簽訂合資合同,成立上海電氣鈉硫儲能技術有限公司,開始鈉硫電池的產業化開發。2015 年,上海鈉硫電池儲能技術有限公司在崇明島風電場實現了兆瓦時級的商業應用示范(見圖 1d)。中科院固體物理研究所近年也突破了 β-Al2O3 陶瓷的制備技術,掌握了陶瓷燒結、陶瓷玻璃封接、金屬與陶瓷連接等核心技術,目前處于鈉硫電池組研制的中試階段。除此之外,韓國浦項產業科學研究院(RIST)針對平板和管式鈉硫電池進行較為系統的工程化開發。RIST 從 2005 年開始申請鈉硫電池材料與制造的專利,目前持有 53 項以上相關有效專利。(二)鈉 – 金屬氯化物電池在國內外的發展與應用現狀美國通用電氣有限公司于 2007 年購買了英國 beta R & D 公司的 ZEBRA 電池技術,建立 “Durathon”電池品牌,經過 11 年研發,投入資金超過 4 億美元。早期主要面向車用,圖 2a 為裝載 Durathon 動力電池的礦車。目前 GE 在全球多個國家和地區的電網和電信領域運行了總計 15 MW 以上、30 余個 ZEBRA 電池儲能項目。圖 2d 分別為 Durathon 擴展儲能系統。2017年1月,超威電池與 GE 開展技術合作,合資成立浙江綠能(安力)能源有限公司,進軍國內儲能電池市場。2010年,與 GE 擁有同一技術源頭的 MESDEA 公司和 FIAMM 成立新公司 FZ SONICK SA,并推出了 SONICK 商標的 ZEBRA 電池,主要應用在電動車、備用電源等領域。2015 年,FZ SONICK 的 ZEBRA 電池儲能解決方案被德國航空和運輸領域的跨國公司龐巴迪公司選中,為 Innovia Monorail 300 平臺列車項目提供備用電源服務。圖 2b 和圖 2e 分別為 SONICK 電池應用于微網儲能及其儲能單元的情況。FZ SONICK 還為薩沃納大學校園提供了智能電網儲能系統。從2016年開始,德國弗勞恩霍夫陶瓷技術與系統研究所(IKTS)也在 ZEBRA 電池上持續投入。2019年3月,歐洲儲能展會上,IKTS 展示其最新開發的“Cerenergy” 陶瓷鈉 – 氯化鎳高溫電池。該型號的鈉鎳電池容量為5kWh,由 20 個單電池組成,每千瓦時成本將低于 100 歐元。2015年11月,作為 SunShot 聚光太陽能發電阿波羅計劃的子計劃,美國能源部提供猶他州鹽湖城 Ceramatec 公司和喬治亞技術研究所總計 234.878 萬美元經費支持,重點開發聚光太陽能高溫熔鹽鈉鹽蓄電模塊,預計實現 92% 以上的蓄電效率目標。同時,美國西北太平洋國家實驗室在美國能源部支持下持續開展平板型鈉鹽電池的產業化研發。在國內,從2014 年開始,中國科學院上海硅酸鹽研究所在前期鈉硫電池和鈉鎳電池的研發基礎上,開展鈉鎳電池產業化的推進工作。2017 年,中國科學院上海硅酸鹽研究所參股成立上海奧能瑞拉能源科技有限公司,開展鈉鎳電池產業化開發。如圖 2c 和圖 2f,目前該公司已完成年產100MWh 的鈉鎳電池工廠的全線調試,進入第一代產品的試生產階段。圖 2 鈉 - 金屬氯化物電池儲能產品及其商業應用實例五、我國儲能鈉電池發展面臨的挑戰儲能鈉電池在電力系統和電信系統具有極大的應用優勢,并得到全球儲能市場的普遍認可,但是由于其技術難度大,目前儲能鈉電池的成熟技術在全球范圍內僅由日本 NGK、美國 GE、意大利 FIAMM 等幾家企業掌握,我國儲能鈉電池的發展還面臨以下諸多挑戰。(一)儲能鈉電池技術幾乎被國外壟斷近年來,中國科學院上海硅酸鹽研究所在儲能鈉電池的相關領域開展了技術革新和示范應用,基本掌握了鈉硫電池和鈉鎳電池的全套技術,形成了具有自主知識產權的儲能鈉電池完整技術路線,但是總體而言,我國自主知識產權儲能鈉電池的技術成熟度不高,規模化生產設備需要高代價的定制,尚未形成儲能鈉電池的成熟產品體系。超威集團引進美國 GE 的成熟技術,進行儲能鈉電池國產化的嘗試也尚未在國內外市場打開局面,根本原因是我國儲能鈉電池的發展目前仍然只能依賴和引進日本和美國公司的技術,尚不具備獨立開發新一代儲能鈉電池的能力,技術革新的速度無法應變市場的需求。(二)儲能鈉電池上下游產業鏈供給不足導致高成本儲能鈉電池的高溫技術瓶頸極大地限制了涉足儲能鈉電池開發的研究院所和企業的數量,導致儲能鈉電池在產業鏈的推動上困難重重。經過測算, 1 GWh 鈉 – 氯化鎳電池生產線上生產電池的成本約為 1050 元 / 度電,當生產線產能提高至 10 GWh,電池成本可降至 800 元 / 度電以下。然而,目前儲能鈉電池的生產規模不足以帶動上下游產業鏈的快速發展。NGK、GE 等公司同樣面臨電池成本偏高的困境。對我國而言,儲能鈉電池中鈉硫電池的含耐腐蝕涂層的集流體外殼等零部件、鈉 – 氯化鎳電池的關鍵原材料 T255 鎳粉(英國 Inco 公司)還依賴進口,國產化替代方案缺失。儲能鈉電池的中溫運行環境對保溫箱等下游供應的要求較高,但我國尚沒有類似產品開發。儲能鈉電池上下游產業鏈供給不足成為推動儲能鈉電池技術發展和成本降低的一大障礙。(三)儲能鈉電池的評估檢測標準和評估平臺缺失1998 年,美國能源部國家可再生能源實驗室就鈉鹽電池的健康狀態、濫用安全特性和回收處理辦法出具了說明書式的研究報告。2017 年, FIAMM SoNick 公司根據美國標準 UL 9540A 對 ZEBRA 電池產品進行了安全性測試,從單芯、模組和電池單元架三個層面進行了系統的安全性能評估。2018 年,電氣與電子工程師協會(IEEE)出臺了編號為 IEEE Std 1679.2—2018,標題為“靜態儲能應用中鈉 -beta 電池的表征和評估指導”的指導性標準。該標準為靜態儲能應用的用戶評估鈉 -beta 電池的性能、安全性,以及進行合格評估測試和監管等問題提供了指導。這些研究報告和標準的建立很大程度上促進了美國和歐洲等國家和地區儲能鈉電池的規范化和市場化。由于我國儲能鈉電池的產業化處于初級階段,相關評估檢測標準缺失,相應的評估平臺和評估機構尚不支持儲能鈉電池的性能和安全性評估,這也成為儲能鈉電池產業大步推進的障礙之一。六、對策建議(一)支持儲能鈉電池相關材料科學的研發和工程化技術攻關從國外的發展經驗來看,儲能鈉電池最初的很多成果出自國家能源部門或能源用戶部門牽頭組織的應用研發和技術攻關。2020 年 1 月,教育部、國家發展和改革委員會、國家能源局聯合制定了《儲能技術專業學科發展行動計劃(2020—2024 年)》(簡稱《行動計劃》),旨在立足儲能產業發展重大需求,統籌整合高等教育資源,加快發展儲能技術學科專業,加快培養儲能領域“高精尖缺”人才,破解共性和瓶頸技術,增強產業關鍵核心技術攻關和自主創新能力,以產教融合發展推動儲能產業高質量發展。《行動計劃》將為儲能行業的發展注入強大的動力。提升我國自主知識產權儲能鈉電池的技術成熟度同樣需要重視相關基礎材料的研發,更重要的是從戰略層面組織有研發基礎的優質企業和科研院所合作開展工程化技術攻關,提供相關項目支撐,集中精力解決儲能鈉電池中存在的“卡脖子”問題和推進儲能鈉電池在國外經驗基礎上的升級換代,以期在短期內實現我國儲能鈉電池技術體系的成熟化發展。(二)推動儲能鈉電池相關上下游產業的聚集發展產業規模是儲能鈉電池發展的關鍵因素,形成一定體量的產業集群對于降低儲能鈉電池的制造成本,提高儲能鈉電池的市場競爭力至關重要。在提升儲能鈉電池的技術成熟度的中后期,儲能鈉電池相關上下游產業的聚集發展是儲能鈉電池真正走向應用市場的關鍵一環。引導社會資本,圍繞技術創新鏈布局產業鏈,加強技術、資本與產業的融合,通過產業鏈合作及協同,提高資源利用效率,提升儲能鈉電池的市場競爭力。大型儲能鈉電池示范項目的規劃和實施是推動相關上下游產業發展的一個契機,有望使我國儲能鈉電池的發展駛入良性循環的快速通道。(三)建立健全儲能鈉電池的相關標準以及推動高溫鈉電池評估平臺的建設2018 年以來,國內外頻發的起火事故給正在起步的儲能產業澆了一盆冷水,也讓儲能的安全問題成為輿論焦點。有業內專家認為,儲能事故并非是一個簡單的技術問題,更多是標準的問題。標準是技術發展的總結,也需要政策法規從上而下的引導。國家能源局會同其他主管部門曾多次發文,力推儲能標準化工作,要求建立起較為系統的儲能標準體系。儲能鈉電池作為新型的儲能技術,相關標準缺失的問題尤為突出,迫切需要建立健全相關檢測和評價標準。如果我國以出臺儲能鈉電池的相關行業標準,甚至能夠出臺發布國家標準,相信能在很大程度上推動儲能鈉電池的商業化發展。認證機構基于相關標準可以推動高溫鈉電池評估平臺的建設,從而從政策上督促儲能鈉電池開發市場標準化、規范化,為其大規模應用、順利與應用市場接軌打下堅實基礎。

作者: 胡英瑛 吳相偉 溫兆銀 侯明 衣寶廉 詳情
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寧德時代2023年實現批量生產,鈉離子電池:姍姍來遲、正待起跑

7月29日,寧德時代舉辦了鈉離子電池線上發布會。作為動力電池行業的引領者,寧德時代的一舉一動都格外引人關注。此次寧德時代高調發布鈉離子電池,隨之而來的評價不一。有人表示,它將引領新的“風口”,促進多元化技術路線發展;有人認為,這里面或也涉及對資本市場的考量。計劃2023年批量生產事實上,鋰離子電池并非電池領域的新技術,早在上世紀80年代,其與鋰離子電池就同時進入了科研人員的視野。在多重因素作用之下,鋰離子電池得以大規模發展,并從消費電子逐步走向動力電池領域。“當時,鈉離子電池的優勢不突出,所受關注也并不高。”一位不愿透露姓名的業內人士對《中國汽車報》記者表示,隨著電池技術的發展,鈉離子電池近10年來取得了較大進步。比如,2018年,中科海鈉就推出了首款鈉離子電池低速電動車。據了解,寧德時代此次推出的鈉離子電池優勢比較明顯。首先是取得了能量密度的重要突破。一般認為,鈉離子電池能量密度為90~150Wh/kg,而寧德時代產品的電芯單體能量密度高達160Wh/kg,并計劃將下一代鈉離子電池的能量密度提高到200Wh/kg。目前,國內兩家龍頭企業中科海鈉、鈉創新能源的鈉離子電池能量密度分別為135Wh/kg和120Wh/kg,英國Faradion公司產品的能量密度為140Wh/kg。第二是改善快充性能。寧德時代鈉離子電池常溫下充電15分鐘,電量可達80%以上。第三是低溫性能優異。在零下20℃的低溫環境中,寧德時代鈉離子電池也能擁有90%以上的放電保持率,系統集成效率可達80%以上。當前,鈉離子電池仍處于產業化初期,動力電池企業紛紛布局相關技術與產能。寧德時代方面表示,計劃2023年基本形成鈉離子電池產業鏈。華陽股份今年4月發布公告稱,全資子公司新陽能源擬投資新建“鈉離子電池正極材料千噸級生產項目”、“鈉離子電池負極材料千噸級生產項目”兩個項目,總投資合計1.4億元。英國FARADION公司、日本松下、豐田等國外企業也都在進行產業化探索。目前,全球開展鈉離子電池業務的公司達20多家。廣發證券的相關研究數據顯示,2025年,國內鈉離子電池潛在應用場景需求量為123GWh,以磷酸鐵鋰電池價格計量,對應537億元左右的市場空間。為何此時“殺出重圍”?在采訪中,業內人士紛紛表示,在鋰資源緊張與原材料漲價的大背景下,寧德時代推出鈉離子電池恰逢其時。“目前,整個動力電池產業鏈都面臨依賴鋰資源進口的挑戰,如果在鈉離子電池上有所突破,將有效降低對鋰資源進口的依存度。寧德時代在動力電池領域具有較高的代表性,其發布鈉離子電池會提高整個行業對此的關注度,應該說起到了一個較好的帶頭作用。”中國汽車動力電池創新聯盟副秘書長馬小利在接受記者采訪時表示,寧德時代對動力電池研發體系的布局很全面,一直在進行技術創新,此次推出新品說明在某些方面實現了對鈉離子電池的技術突破。資料顯示,我國80%以上的鋰原料依賴進口,而且其不斷攀升的價格也讓行業承壓明顯。相比之下,鈉資源儲量非常豐富,而且提煉簡單。據中科海鈉測算,受益于更低的材料成本,鈉離子電池較鋰離子電池成本通常低30%~40%。“如果鈉離子電池的產量達到一定規模,其成本有望降到磷酸鐵鋰電池的水平甚至更低。”馬小利說。新能源和智能網聯汽車獨立研究員曹廣平認為,寧德時代推出鈉離子電池的大背景在于:“雙碳”趨勢需求下,全球鋰資源有限,鈉資源是較大補充。新能源汽車、電力儲能、5G基站備用電源以及兩輪電動車的快速發展,拉動鋰電池需求飆升,造成了原材料(預期)漲價等市場供需不平衡的情況。除此之外,北方工業大學汽車產業創新研究中心研究員、汽車分析師張翔還補充道,作為上市公司,寧德時代推出鈉離子電池或有資本市場方面的考量。此前,寧德時代將發布鈉離子電池的消息一經發布,直接拉動其股價上漲。7月29日,寧德時代股票上漲6.05%,7月底市值達1.28萬億元,環比上升2.99%。同時,鈉離子電池概念股也一路跟漲。7月29日,盛弘股份、湘潭電化、科瑞技術漲停,海目星、機器人等紛紛跟漲;7月30日早盤,鈉離子電池概念股再現大漲,天能股份以20%的漲幅漲停。將成為動力電池補充路線在馬小利看來,鈉離子電池可以作為當前動力電池技術路線的補充,不過要想大規模商業化仍需跨過諸多挑戰。比如,鈉離子電池本身自重較重,作為動力電池還要在能量密度上實現突破。此外,鈉離子電池的正負極、電解液等材料供應也尚未形成規模。“鈉離子電池產業的發展需要下游市場的拉動,同時也應給予寧德時代等勇于實現技術突破的企業鼓勵和認可。”她說。張翔告訴記者,鈉離子電池最大的“硬傷”還是能量密度較低,達不到目前新能源汽車補貼的要求,因此在市場推廣上具有一定的難度。另外,鈉離子電池尚未實現商業化,許多數據仍來自實驗室,技術待進一步發展和成熟。據介紹,寧德時代在電池系統集成方面開發了“AB電池解決方案”,即鋰離子電池與鈉離子電池混合共用,并進行不同電池體系的均衡控制,以此彌補鈉離子電池在現階段的能量密度短板,同時發揮出電池系統高功率、低溫性能的優勢。有業內人士指出,目前,鈉離子電池非常適合的應用場景包括兩輪車和儲能領域。相對而言,鉛酸電池壽命短、污染大,因此鈉離子電池有望逐步實現對其的替代。中信證券的研報顯示,在能源變革的大時代下,鈉離子電池在資源豐富度、成本方面優勢明顯,未來幾年隨著產業投入的加大,技術走向成熟、產業鏈逐步完善,有望在儲能等領域實現商業化應用,在一定程度上形成對鋰離子電池、鉛酸電池等成熟儲能技術的補充。“只要有市場需求的電池,就有存在與發展的意義。”馬小利強調。曹廣平也表示,每一種電池都有自己的技術特點,而每一個應用領域又對電池提出了不同的技術要求。總體來看,未來行業將出現多種電池技術路線并行發展的局面。對于鈉離子電池來說,其商業化前景還要綜合考量技術突破、工藝難題攻克及綜合性價比等方面的進展。政策層面也明確了未來鈉離子電池在儲能領域的發展方向。7月15日,國家發展改革委、國家能源局發布了《關于加快推動新型儲能發展的指導意見》,提出加快飛輪儲能、鈉離子電池等技術開展規模化試驗示范,以需求為導向,探索開展儲氫、儲熱及其他創新儲能技術的研究和示范應用。行業人士認為,鈉離子電池未來有望加快應用于電網側、用電側和發電側儲能。

作者: 趙玲玲 詳情
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鈉離子電池時代要來了?

在智能物聯網時代,大量的智能設備需要電池,從智能手機、智能手表、筆記本電腦到新能源汽車等,電池的續航時間、充電快慢、環境適應性等成為智能設備競爭的重要維度,目前在消費電子市場和新能源汽車市場鋰離子電池處于“一統江湖”的主流地位。現在這樣的格局有可能要發生改變了。7月29日,寧德時代創始人曾毓群在網上正式發布鈉離子電池,并表示寧德時代鈉離子電池具備低溫性能、快充性能以及更強的環境適應性,未來將與鋰電池共存發展。鈉離子電池的時代要來了嗎?鈉離子電池有哪些特性?又將帶給智能設備世界怎樣的電力“動力”?每一種新技術能夠得以生存并快速發展,都是因為擁有了比現存市場技術更優的差異化特點,這個定律放之四海。從目前來看,鈉離子電池與鋰離子電池的差異化在于低溫性能和快充方面。按照寧德時代研究院副院長黃起森介紹,目前寧德時代開發的第一代鈉離子電池,電芯單體能量密度為160Wh/kg,在當前處于全球最高水平;在常溫環境下下充電15分鐘,電量可達80%;即便是在-20°C的低溫環境下,放電保持率仍然高達90%以上;同時,在系統集成效率上,可以達到80%以上;具有優異的熱穩定性,并且超越了國家動力電池強標的安全要求。“總體來看,第一代鈉離子電池的能量密度略低于目前的磷酸鐵鋰電池,但是在低溫性能和快充方面具有明顯的優勢。特別是在高寒地區,高功率應用場景。” 黃起森說。其實,鈉的化學性質,電池工作原理都和鋰非常相似,在化學元素周期表中,鈉元素與鋰元素為同一主族,物理化學性質極為相似。甚至鈉離子電池和鋰離子電池連“命運改變人”都是同一“群族”,2019年諾貝爾化學獎頒給了美國的邁克爾·斯坦利·惠廷漢姆、約翰·班尼斯特·古迪納夫以及日本吉野彰三位化學家,獎勵他們“在發明鋰電池過程中做出的貢獻”。事實上,鈉離子電池也是惠廷漢姆研發的,只是鋰電池各方面優勢突出并且發展神速,因此鈉離子電池在商業上沒有大規模普及。鋰在電勢、原子量、離子半徑等基本性質上,相對而言都是比鈉更好的材料。鋰的原子量更低、離子半徑更小,鋰的理論質量比容量是鈉的3.3倍,鋰的理論體積比容量是鈉的1.8倍;且鋰的電位更高,比鈉高出12%,鋰材料的電池更具競爭優勢。因此鋰離子電池也更早大規模商業化。最近幾年,鈉離子電池之所以被高度關注,有幾個關鍵原因,一是從總量上看,因為鈉儲藏量要比鋰豐富,具有更好的發展可持續性。目前地殼中鈉儲量達2.74%,而鋰儲量僅為0.0065%,是鋰資源的440倍,而且鋰離子電池回收經濟價值低。鈉離子電池活性材料中不含昂貴的鈷,使其具有更強的可持續性。二是從地區分布上,各個區域的鋰儲藏也不均勻。我國僅擁有世界鋰資源儲量的5.93%,鋰礦大多位于青藏高原地區,開采難度大,致使我國鋰礦對外依存度高。鈉離子電池對我國減少鋰資源對外依存度具有重要戰略意義。三是鈉資源提煉相當簡單,鈉離子電池大規模商用后,具有較大的成本優勢。事實上,鈉離子電池應用前景廣闊,在電動車市場上,鈉離子電池具有低成本、低能量密度、安全性強等特性,是鉛酸電池更好的替代品。而且隨著可再生能源大批量上網,電網側與發電側對儲能的需求愈發強烈,為鈉離子電池市場化應用提供土壤。目前來看,鈉離子電池產業化商處于初級階段,面臨的主要挑戰是成本優勢不明顯、工藝和產業鏈不成熟、核心電極材料和電解液規模化供應渠道缺失、缺少電池相關標準化等。不過,分析機構認為,鈉離子電池具備產業化快速提升的潛力。鈉離子電池與鋰離子電池生產線、制作工序相似,隨著鋰電和上游材料企業入局,產業化進程會大幅提速。目前中國大約有20多家企業從事鈉離子電池研發及上下游配套包括寧德時代、中科海納、容百科技、深圳比克電池、欣旺達、華陽股份、滄州明珠、恩捷股份、中材科技、璞泰來等。相對于其他企業,據寧德時代透露其已解決了材料在循環過程中容量快速衰減這一世界性的難題,而寧德時代之所以能夠解決這個難題,得益于模擬計算和設計仿真。據介紹寧德時代構建了高通量材料集成計算平臺,在原子級別上對材料進行了模擬計算和設計仿真,對材料表面進行重新設計,解決了材料在循環過程中容量快速衰減的問題,使新材料具備了產業化的條件。按照黃起森介紹,在正極材料方面,寧德時代采用了克容量較高的普魯士白材料,創新性地對材料體相結構進行電荷重排,解決了普魯士白在循環過程中容量快速衰減這一核心難題;在負極材料方面,寧德時代開發了具有獨特孔隙結構的硬碳材料,其具有克容量高、易脫嵌、優循環的特性;在電解液方面,寧德時代還開發了適配鈉離子電池正極負極材料的新型獨特電解液體系;在制造工藝方面,鈉離子電池可以與目前的鋰離子電池制造工藝和設備相兼容。寧德時代在發布會上透露,目前公司已經開始進行鈉離子電池產業化布局,計劃是到2023年要能形成基本產業鏈。分析機構的預測是在未來3~5年,鈉離子電池產業鏈會基本形成,鈉離子電池相關工藝、相應的電池管理系統、相關技術體系也會趨于成熟。

作者: 李佳師 詳情
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鈉電池是鋰電池的良好補充,產業化開始加快

鈉電池工作原理與鋰電池類似,生產設備也基本兼容,材料體系有一定變化,鈉電池憑借能量密度和循環性能的優勢,有望在儲能和兩輪車等市場獲得商業應用。在車用動力電池領域,鈉電池優秀的低溫、快充、安全性是對鋰電池的補充,但能量密度和循環性能差距較大,不過寧德時代提出了動力電池中采用鋰電池和鈉電池混配輔以BMS升級的方案,有望推動鈉離子電池在交通領域應用。鈉離電池作為一種新的路線,其核心的原材料供應更大宗和普遍,有助于擺脫電池上游戰略資源瓶頸,能更好的滿足未來TWh時代電池技術多樣化需求,是鋰電池良好的補充,預計其規模的應用可能在2023年左右或以后。摘要鈉電池簡介。鈉電池工作原理與鋰電池類似,同時生產設備也基本兼容。不過材料體系有較大變化,正極一般采用普魯士白和層狀氧化物,負極選用硬碳,集流體均采用鋁箔,隔膜和電解液沒有大的變化。性能方面,鈉電池在低溫性能、安全性、成本(大規模量產后)方面具備優勢,能量密度和循環性能均介于鋰電池和鉛酸電池之間。鈉電池作為鋰電池的補充,主要應用市場在儲能等領域。鈉電池的能量密度、循環壽命優于鉛酸電池,同時具備較強的安全性和較低的成本。根據產業反饋,目前鈉電池主要開始應用在儲能和兩輪車領域替代鉛酸電池。在動力領域,鈉電池優秀的低溫和快充性能是鋰電池的良好補充,但能量密度有一定差距,不過寧德時代提出在動力電池系統中將鋰電池和鈉電池混配并升級BMS的方案,可能會推動鈉電池在車載市場應用。鈉電池對保障供應鏈安全有戰略意義。我國僅擁有世界鋰資源儲量的5.93%,且開發有一定難度,我國鋰礦主要依賴進口,鎳資源也主要在海外,資源供應可能是鋰電池產業進一步壯大后將面臨的潛在約束之一。而鈉資源儲量豐富、分布廣泛,且更容易獲取,鈉電池的研發儲備和產業化對保障我國電池產業戰略資源供給安全具有重要意義。在未來TWh的電池生態中,鈉電池應該會有一席之地。產業化可能在未來幾年。國內具有比較成熟的鈉電池生產研發能力的企業主要是寧德時代、中科海納、鈉創新能源。寧德時代的第一代產品單體能量密度達160wh/kg,系統集成效率達80%,零下20度容量保持率90%,在常溫下充電15分鐘電量達到80%,綜合性能優異。目前國內鈉電池產業化剛起步,供應鏈還沒形成,鈉電池材料主要依靠電池公司自身研發。隨著產品迭代和提升,電池產業應用可能進一步加快,根據寧德時代估計,鈉電池規模應用可能在2023年左右或以后。投資建議:繼續推薦寧德時代,其余關注華陽股份(煤炭)、浙江醫藥(化工)、鼎盛新材(招商有色)。風險提示:鈉電池技術升級和推廣低于預期、成本下降幅度低于預期。1、鈉離子電池簡介1.1鈉離子電池工作原理鈉離子工作原理與鋰離子電池類似。鈉離子電池作為充電電池的一種,主要由正、負極、電解質、隔膜、集流體等組成。其工作原理是利用鈉離子在正負極之間的可逆脫嵌從而實現充、放電的,與鋰電池類似。鈉離子電池的分類。鈉離子電池可分為鈉硫電池、水系鈉離子電池、有機鈉離子電池、固態鈉離子電池。鈉硫電池主要以金屬鈉作為負極、非金屬硫作為正極、β-A12O3陶瓷管同時充當電解質和隔膜,是目前唯一同時具備大容量和高能量密度的儲能電池。截止2020年,全球從事鈉離子電池工程化的公司超過20家,包括松下、豐田等。2017年,我國首家鈉離子電池公司中科海鈉成立,依托中國科學院物理研究所的技術,目前在技術開發和產品生產上都初具規模。1.2 材料體系與鋰電池有所不同相比鋰電池,鈉離子電池材料使用有差異。鈉離子電池中,正極材料:使用鈉離子的活性材料,常見的包括普魯士藍、銅鐵錳或鎳鐵錳層狀氧化物,需具有良好的電化學性、化學穩定性、熱穩定性、安全性,以此保證較高的理論比容量和電池循環壽命;負極材料:由于鈉的半徑較大,并不能在石墨層中可逆的脫嵌,因此一般選擇具備嵌入鈉離子的能力強、體積變形小、擴散通道好、化學穩定性好等特點的硬碳材料。電解質和隔膜:可以沿用鋰電池體系中的材料,但電解液中的六氟磷酸鋰需要換成六氟磷酸鈉。集流體:由于鋰電池主要以石墨作為負極,鋁箔作為負極集流體在低電位下易與鋰形成合金,因此需使用銅集流體,而鈉離子正負極均可使用價格較低鋁箔作為集流體。1.3 鈉資源儲量豐富,成本有望繼續下降鈉資源儲量豐富。鈉資源儲量豐富,地殼豐度可達2.74%,價格低廉且提煉簡單。而鋰儲量僅0.0065%,主要分布于澳大利亞、南美地區。鈉離子電池對保障我國資源供給具有重要戰略意義。我國僅擁有世界鋰資源儲量的5.93%,且開發有一定難度,我國鋰礦主要依賴進口,鎳資源也主要在海外,資源供應可能是鋰電池產業進一步壯大后將面臨的潛在約束之一。而鈉資源儲量豐富、分布廣泛,且更容易獲取,鈉電池的研發儲備和產業化對保障我國電池產業戰略資源供給安全具有重要意義。在未來TWh的電池生態中,鈉電池應該會有一席之地。鈉離子電池成本有望繼續下降。鈉電池外形封裝(圓柱、軟包、方形)與鋰電池相同,同時鋰電池的生產設備大多可以兼容鈉離子電池,原始設備成本支出與鋰電池相當。材料中,除隔膜外,鈉離子電池的正、負極、電解液、集流體的價格較鋰電池材料低。不過,由于鈉離子電池制備工藝不夠成熟、生產設備仍有待改善,生產效率較低且產品一致性及良品率均低,目前的生產成本明顯高于鋰離子電池。但未來當技術成熟實現規模化效應后,其降本空間更大。2、鈉電池作為鋰電池的補充,主要應用市場在儲能等領域2.1 鈉離子電池產品性能分析有望逐步替代鉛酸電池,是鋰電池的良好補充。鈉離子電池的能量密度、循環壽命優于鉛酸電池,但低于鋰離子電池。對比鉛酸電池,同等容量的下,鈉離子電池的體積小、重量輕,且能量密度超過鉛酸電池的2倍以上。同時,相比于鋰離子電池,鈉離子電池的內阻比鋰離子電池高,發生短路時發熱量少溫度較低,且在放電過程中可可放電至0V,因此鈉離子電池較鋰離子電池的安全性能更加優異。未來首先可能取代鉛酸電池并逐步實現低速電動車、儲能等領域的無鉛化發展。在鈉離子電池儲能與動力領域,國內企業中科海鈉處于產品研發生產的領先地位。目前研發的產品覆蓋了電動自行車、低速電動車、規模儲能等領域,均可在零下20℃至55℃工作。中科海鈉電池使用的技術路線是銅鐵錳,生產的鈉離子電池循環壽命約為4500次,與磷酸鐵鋰相當,優于錳酸鋰和三元材料;能量密度高于145Wh/kg,與錳酸鋰接近。鈉創新能源致力于做鎳鐵錳正極材料(NaNi1/3Fe1/3Mn1/3Q2),即三元層狀氧化物正極-硬碳負極體系的鈉離子軟包電芯,循環壽命約為5000次。2.2 目前的商業化應用主要在儲能和兩輪車儲能是鈉離子電池主要的應用場景。2021年6月,由山西新陽清潔新能源與中科海鈉主導的1MWh鈉離子儲能系統在山西落地。其利用陽泉儲量豐富、成本低廉的無煙煤作為前驅體,采用中科院全球首創的碳基負極材料生產技術和正極廉價原料加工工藝生產,具有成本最低、安全性能高、低溫性能良好、循環壽命長等特點,可廣泛應用于低速電動車、家庭儲能、5G通訊基站等大規模儲能裝置。鈉離子電池打入兩輪電動車市場。2021年7月7日,國內第二大電動兩輪車愛瑪科技在發布會上表示將使用鈉離子電池搭載在未來旗下的電動兩輪車上,其鈉離子電池由鈉創新能源提供。2019年,鈉創新能源完成了噸級材料產線。目前1000-3000噸級產線基本建成試運營,3000噸可以對應百萬輛愛瑪電動車。儲能和兩輪車市場適合鈉電池,車用動力市場還需觀察。鈉電池規模化生產后成本低,同時安全性好,能量密度、循環壽命尚可,在儲能和兩輪車市場更有優勢。在動力領域,鈉電池優秀的低溫和快充性能是鋰電池的良好補充,但能量密度有一定差距,不過寧德時代提出在動力電池系統中將鋰電池和鈉電池混配并升級BMS的方案,可能會推動鈉電池在車載市場應用。3、國內企業已經開始布局,大規模產業化可能在2023年以后寧德時代電池產業優勢雄厚,已經推出鈉電池產品。公司已經發布第一代鈉電池產品,單體能量密度達160wh/kg,系統集成效率達80%,同時零下20度容量保持率90%,在常溫下充電15分鐘電量達到80%,綜合性能優秀。公司材料體系均為自身研發,采用普魯士白(鐵錳基氧化物,普魯士藍的升級版)和層狀氧化物作為正極,硬碳作為負極(克容量350mah/g)。未來下一代鈉電池能量密度目標突破200wh/kg。中科海鈉依托中科院物理所,鈉離子電池技術領先。中科海鈉成立于2017年,核心技術來源于中國科學院物理研究所清潔能源實驗室,是國內首家專注于鈉離子電池研發與生產的高新技術企業,公司擁有鈉離子電池核心專利15篇,在鈉離子電池全生產鏈各個環節已掌握具有完全自主研發的核心技術,目前已成功開發出的鈉離子電池能量密度達到145Wh/kg。2021年4月,華陽股份全資子公司新陽能源與中科海鈉合作,擬建設2000噸鈉離子電池正極材料和2000噸鈉離子電池負極材料項目。鈉創新能源團隊源于上海交大,產品覆蓋廣泛。鈉創新能源成立于2018年,其中,浙江醫藥參股40%,但不參與實際經營。公司核心團隊源自上海交大馬紫峰教授鈉離子電池技術研發團隊,首席科學家馬紫峰教授發表鈉離子電池相關文獻16篇,公司擁有30余項發明專利,涵蓋鈉離子電池正極材料、電解液、電池的設計制造以及系統集成與管理等。公司核心產品包括鐵基三元材料前驅體、鐵酸鈉基三元正極材料、鈉電電解液、電芯及系統應用產品等。2021年7月7日,愛瑪科技在經銷商大會上發布鈉離子電池,電池由鈉創新能源負責,未來將搭載在自己的電動兩輪車上。大規模產業化可能在2023年以后。目前國內鈉電池還沒有形成大規模的產業鏈,電池企業處于前期的電化學體系積累階段,材料主要依靠自身研發。未來隨著產品成熟度持續提升,國內鈉電池產業鏈可能逐步形成,根據寧德時代預計,可能在2023年以后。投資建議鈉電池工作原理與鋰電池類似,生產設備也基本兼容,材料體系有一定變化,鈉電池憑借能量密度和循環性能的優勢,有望在儲能和兩輪車等市場獲得商業應用。在車用動力電池領域,鈉電池優秀的低溫、快充、安全性是對鋰電池的補充,但能量密度和循環性能差距較大,不過寧德時代提出了動力電池中采用鋰電池和鈉電池混配輔以BMS升級的方案,有望推動鈉離子電池在交通領域應用。鈉離電池作為一種新的路線,其核心的原材料供應更大宗和普遍,有助于擺脫電池上游戰略資源瓶頸,能更好的滿足未來TWh時代電池技術多樣化需求,是鋰電池良好的補充,預計其規模的應用可能在2023年以后。推薦與關注:寧德時代:7月29日發布第一代鈉離子電池產品,已經完成前期的電化學體系積累。華陽股份(煤炭):間接持有中科海鈉1.66%的股權。浙江醫藥(化工):持有鈉創新能源40%股權。鼎盛新材(有色):鈉電池中銅箔改用鋁箔。風險提示1)鈉電池技術升級和推廣低于預期。鈉電池的能量密度、循環性能還有待提升,如果技術無法持續升級,可能導致推廣不及預期,下游應用空間比較有限。2)成本下降幅度低于預期。鈉離子電池理論成本會更低,但目前還沒有進入大規模量產階段,生產工藝和設備還不夠成熟,因而成本還比較高。若成本下降幅度低于預期,可能導致大規模商業化應用低于預期。

作者: 沈陽蓄電池研究所新聞中心 詳情
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鈉離子電池能取代鋰離子電池嗎?

鈉離子電池是鋰電池的潛在替代品,但鋰離子電池的陽極卻不能為鈉離子電池提供同樣的性能。對于鈉離子電池來說,缺乏結晶結構的無定形碳被認為是一種有用的陽極,因為它有缺陷和空隙,可以用來儲存鈉離子。氮/磷摻雜的碳也具有不錯的電性能。在《Applied Physics Reviews》中,來自浙江大學、寧波大學和東莞理工大學的研究人員描述了他們如何應用原子尺度的基本物理概念來構建鈉離子電池的高性能陽極。摻雜的非晶碳,特別是富電子元素摻雜的非晶碳,是一個很好的儲鈉陽極,但對于鈉存儲的工作原理或摻雜碳的摻雜效果,還沒有獲得一致的解釋。為了尋求答案,研究人員使用能級軌道的概念來解釋吡咯氮和一個磷氧鍵的親和力、它們的原子相互作用、電子分布和電子云配置。為了更近距離地了解獨特的存儲行為,他們應用了第一原理計算,這是一種利用基本物理量來計算物理性質的方法。它基于電子密度函數,這是量子力學的一個概念,可以揭示晶體的分子結構。當他們分析了嵌入在改性碳材料內的鈉離子的電子分布、體系化學參數和吸附能量時,他們發現吡咯氮和磷氧鍵顯示出真正的鈉存儲潛力。研究人員設計了一種水熱處理方法來構建磷-氧結構的前體,然后在碳陽極上摻入雙電子豐富的元素,顯示出增強電池的循環壽命和容量的電化學性能。他們的陽極實現了5000次循環壽命,容量增強到220毫安時/克,并減少了容量損失(0.003%/循環)。論文標題為《Sodium storage behavior of electron-rich element-doped amorphous carbon》。

作者: 沈陽蓄電池研究所新聞中心 詳情
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胡勇勝團隊:鈉離子電池標準制定的必要性

摘 要 :鈉離子電池具有資源豐富、成本低廉、能量轉換效率高、循環壽命長、維護費用低、安全性好等諸多獨特的優勢,能夠滿足新能源電池領域高性價比和高安全性等應用的要求。然而鈉離子電池作為一種全新的化學電源體系,在當前產業化和推向市場之際,國內外無任何可供使用的產品標準或規范,這將會嚴重制約鈉離子電池技術和產業的發展,迫切需要制定相關的國家和行業標準,實現鈉離子電池產品的檢驗規范化和質量標準化,規范市場秩序和推動技術進步。本文首先介紹了全球范圍內鋰資源和鈉資源的形勢;其次,對鈉離子電池所具有的特性和優勢、國內外的技術及產業化發展現狀、存在的問題和未來的發展趨勢進行了詳細說明,并分析了目前全球范圍內鈉離子電池標準的現狀及可供其參考的其他電池體系已有的標準或規范,指出了鈉離子電池標準制定的必要性。最后概括了鋰離子電池標準化工作的發展歷程及借鑒意義,提出了在制定鈉離子電池的標準時可結合其產品特點并借鑒鋰離子電池標準化建設工作的具體建議。關鍵詞: 鈉離子電池;標準;產業化鋰離子電池已經被證明是目前市場上最有影響力的電池產品,被廣泛應用于便攜式電子產品、電動工具和電動汽車等。近年來,隨著這些行業的飛速發展,國內外鋰離子電池的生產制造規模達到了空前高度,并且各大鋰離子電池生產商還在不斷擴大其產能,這必然導致鋰資源的大量消耗和價格上漲,2015年碳酸鋰價格就一度達到了14~16萬元/噸。但是鋰并不是一種豐富的資源,在地殼中的豐度僅約為17 ppm(1 ppm=10-6,余同)(圖1),且分布極不均勻。據美國地質調查局(USGS)2019年最新報告顯示,全球鋰資源儲量約6200萬噸,其中南美洲國家阿根廷占比23.87%、玻利維亞占比14.52%、智利占比13.71%,分別位居全球鋰資源儲量前三,被稱為南美洲地區的“鋰三角”(圖2)。這種鋰資源分布的不均勻性勢必又將導致全球范圍內新一輪的“資源戰爭”,而且按照鋰離子電池現在的發展速度,若不考慮回收,其應用將在幾十年后受到鋰資源的嚴重限制,如果再將鋰離子電池應用到大規模儲能市場,勢必將加速這一過程。圖1   地殼中部分化學元素的豐度圖片圖2   世界主要鋰資源國家的探明儲量和產量占比眾所周知,元素周期表中鈉與鋰是處于同一主族且具有相似物理化學性質的金屬元素,地球上鈉資源儲量非常豐富,元素含量約為23000 ppm,豐度位于第6位(圖1),且鈉分布于全球各地,可完全不受資源和地域的限制,所以在資源方面,鈉離子電池比鋰離子電池具有更大的優勢。此外,鈉離子與鋰離子在電池體系中具有類似的脫/嵌機制(圖3),對鈉離子電池的研究與開發可緩解由鋰資源短缺引發的新能源電池發展受限的問題。雖然在能量密度等方面與目前的鋰離子電池相比還存在差距,然而在低速電動車和儲能應用中成本和壽命是比能量密度更重要的指標,由此可以判斷,鈉離子電池將在低速電動車、大規模電力儲能、5G通信基站、數據中心等應用領域擁有比鋰離子電池更大的市場競爭優勢。圖3   鈉離子電池的工作原理1 鈉離子電池特性盡管鈉是周期表中僅次于鋰的堿金屬元素,但兩者在物理化學性質上的差異(表1)勢必會造成相應電極材料在電化學性能上的差異。較重的鈉離子質量和較大的鈉離子半徑致使鈉離子電池的重量和體積能量密度無法完全與鋰離子電池相媲美,而鈉離子較大的離子半徑也會引起電極材料在離子輸運、體相結構演變和界面性質等方面的差異。因此,為了發揮鈉離子電池自身的特性和優勢,必須探尋不同于鋰離子電池的新的材料體系。表1   鋰與鈉的物理化學性質對比注:1 ?=0.1 nm。然而,鈉與鋰物理化學性質上的差異所帶來的影響不一定都是負面的,在某些方面具體其獨特的優勢:①由于鈉離子與過渡金屬元素離子的半徑差異較大,在高溫下更容易與過渡金屬分離形成層狀結構,使其層狀氧化物的堆積方式具有多樣化。含鋰層狀氧化物多為O型結構,而含鈉層狀氧化物具有豐富的O型和P型材料種類;②很多在含鋰層狀氧化物正極中沒有電化學活性的過渡金屬元素在含鈉層狀氧化物中具有活性。目前僅發現Mn、Co、Ni三個元素組成的含鋰層狀氧化物可以可逆充放電,而具有活性的含鈉層狀氧化物種類相對較多,Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等元素均具有活性且表現出多種性質;③鈉離子在電極材料中的擴散速率并非一定低于鋰離子,擴散速率的快慢與電極材料的晶體結構密切相關;④在充放電過程中,相同構型的電極材料由于傳輸離子的差異會產生不同的相變,特別是鈉離子與空位的有序無序分布將產生重要影響;⑤較大的鈉離子半徑不一定會導致電極材料的體積發生巨大形變;⑥在極性溶劑中鈉離子具有更低的溶劑化能,從而在電解液中具有更快的動力學,具有更高的電導率。另一方面鈉離子的Stokes半徑比鋰離子的小,相同濃度的電解液具有比鋰鹽電解液更高的離子電導率,或者更低濃度電解液可以達到同樣離子電導率;⑦鈉離子電池在電池充放電過程中鈉不會與鋁產生電化學合金化反應,因此負極也可以采用鋁箔作為集流體(鋁箔價格約為銅箔的1/3),既有利于電池的安全(避免過放引起的集流體氧化且可以過放電至零伏),又達到了進一步降低電池成本的目的。此外,鈉離子電池電極極片制作時,在鋁箔集流體兩面分別涂覆正極材料和負極材料,并將極片進行周期性的疊片,還可以做成雙極性(bi-polar)電池。這在單體電池中實現了高電壓,可大量節約其他非活性材料,進一步提升電池的能量密度。而且由于鈉離子電池與鋰離子電池相似的結構,在規模化生產中可借鑒鋰離子電池的生產檢測設備、工藝技術和制造方法等,可加快鈉離子電池的產業化速度。鈉離子電池在其他方面性能如高低溫性能、安全性能等方面是否存在其自身特點及獨特優勢,仍需進一步挖掘。2 鈉離子電池產業化現狀及發展趨勢2.1 產業化現狀2010年以來,鈉離子電池受到國內外學術界和產業界的廣泛關注。目前,鈉離子電池已逐步開始了從實驗室走向實用化應用的階段,國內外已有超過二十家企業正在進行鈉離子電池產業化的相關布局,并取得了重要進展,主要包括英國FARADION公司、法國NAIADES計劃團體、美國Natron Energy公司、日本岸田化學、豐田、松下、三菱化學,以及我國的北京中科海鈉科技有限公司、浙江鈉創新能源有限公司、遼寧星空鈉電電池有限公司等(圖4)。不同企業所采用電化學體系各有不同,其中正極材料體系主要包括層狀氧化物(如銅鐵錳和鎳鐵錳三元材料)、聚陰離子型化合物(如氟磷酸釩鈉)和普魯士藍類等,負極材料體系主要包括軟碳、硬碳以及軟硬復合無定形碳等。圖4   全球鈉離子電池產業化布局英國FARADION公司較早開展鈉離子電池技術的開發及產業化工作,其正極材料為Ni、Mn、Ti基O3/P2型層狀氧化物,負極材料采用硬碳。現已研制出10 A·h軟包電池樣品,能量密度達到140 W·h/kg,電池平均工作電壓3.2 V,在80%DOD下的循環壽命預測可超過1000次。美國Natron Energy公司采用普魯士藍材料開發的高倍率水系鈉離子電池,2 C倍率下的循環壽命達到了10000次。但普魯士藍(白)類正極材料壓實密度較低,生產制作工藝也較復雜,其體積能量密度僅為50 W·h/L。由CNRS、CEA、VDE、SAFT、Energy RS2E等多家單位共同參與成立的法國NAIADES組織開發出了基于氟磷酸釩鈉/硬碳體系的1 A·h鈉離子18650電池原型,其工作電壓達到3.7 V,能量密度90 W·h/kg,1 C倍率下的循環壽命達到了4000次。但是釩有毒性且原料成本較高。同時氟磷酸釩鈉電子電導率偏低,需進行碳包覆及納米化,且壓實密度低。此外,豐田公司電池研究部在2015年5月召開的日本電氣化學會的電池技術委員會上也宣布開發出了新的鈉離子電池正極材料體系。三菱化學也與東京理科大學一直在開展關于鈉離子電池方面的合作研究。國內鈉離子電池技術研究也一直處于前列,其中浙江鈉創新能源有限公司制備NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2三元層狀氧化物正極/硬碳負極體系的鈉離子軟包電芯能量密度為100~120 W·h/kg,循環1000次后容量保持率超過92%。依托中國科學院物理研究所技術的中科海鈉公司已經研制出能量密度超過135 W·h/kg的鈉離子電池,電池平均工作電壓3.2 V,在3 C/3 C、100%DOD循環1000次后容量保持率91%。現已實現正、負極材料的百噸級制備及小批量供貨,鈉離子電芯也具備了MW·h級制造能力,并率先完成了在低速電動車和30 kW/100 kW·h儲能電站的示范應用。2.2 存在的問題及發展趨勢鈉離子電池技術和產業的發展一定程度上可以借鑒鋰離子電池,可謂是“站在了巨人的肩膀上”。然而也要意識到目前在鈉離子電池產品研發和實現其產業化的過程中依然面臨著一些挑戰[]:①目前鈉離子電池處于多種材料體系并行發展的狀態,而其中一些正、負極材料體系加工性能等還有待進一步提高。其中負極無定形碳材料還有首周庫侖效率偏低、儲鈉機理尚未明確等問題。此外,與正負極材料相匹配的電解液體系的開發也不足;②雖然目前鈉離子電池的大部分非活性物質(集流體、黏結劑、導電劑、隔膜、外殼等)可借鑒鋰離子電池成熟的產業鏈,但是對于核心的正負極材料和電解液等活性材料的規模化供應渠道依然缺失,其來料穩定性無法保證,進而影響生產工藝過程和產品質量的穩定性;③相比于鋰離子電池,現有的鈉離子電池體系能量密度還較低,單位能量密度下的非活性物質用量和成本占比會有一定的增加,致使其活性材料的成本優勢無法完全發揮出來;④鈉離子電池可參照鋰離子電池設計及生產工藝技術,但卻無法完全照搬,如鈉離子電池負極使用鋁箔集流體帶來的產品設計、電極制作及裝配工藝等的變化,化成老化工藝區別等;⑤由于鈉離子電池工作電壓上下限與其他成熟電池體系的差異以及較強的過放電忍耐能力等,現有的電池管理系統無法完全滿足鈉離子電池組的使用要求,需要重新設計開發;⑥目前暫無任何正式的有關鈉離子電池的標準和規范發布,影響鈉離子電池制造工藝的規范化及產品質量的一致性,也會導致不同企業之間的產品難以統一和標準化,不利于產品的市場推廣和成本降低。接下來,鈉離子電池的發展將會更加注重于解決產業發展過程中的工程技術問題和開發符合目標市場需求的產品,其相關技術和產業的發展趨勢可以從以下幾個方面來進行考慮。①進一步提高正負極材料體系的綜合性能,并優化改性其生產制備工藝,提高材料穩定性。優化電解液體系,構筑更加穩定的正極|電解質和負極|電解質界面等。②根據不同應用場景逐漸形成對應的主流鈉離子電池體系。同時優化電池設計及生產制造工藝,降低非活性物質的用量,繼續提高電池能量密度、循環壽命以及安全性能。③結合鈉離子電池特點針對性發展并優化適用于鈉離子電池的相關技術體系,包括電芯設計、極片制作、電解液/隔膜選型、化成老化以及電芯評測等技術。④根據鈉離子電池的特性針對性開發相應的電池管理系統,以進一步提升電池組整體壽命以及安全性。同時優化鈉離子電池成組技術,如開發鈉離子電池的無模組電池包(CTP)技術、雙極性電池技術等。⑤聯合更多的科研單位及企業共同攻關,打通鈉離子電池上下游供應鏈,盡早完成針對鈉離子電池的相關必要標準的制定。⑥調整生產規模,優化銷售環節,降低鈉離子電池的單位成本,提高市場的接受程度(尤為重要)。根據現有的鈉離子電池技術成熟度和制造規模水平,將首先從各類低速電動車應用領域切入市場,然后隨著鈉離子電池產品技術的日趨成熟以及產業的進一步規范化、標準化,其產業和應用將迎來快速發展期,并逐步切入到各類儲能應用場景,如可再生能源(如風能、太陽能)的存儲、數據中心、5G通訊基站、家庭和電網規模儲能等領域。3 鈉離子電池標準現狀國際標準包括各類國際標準組織制定的世界范圍內適用的標準、發達國家的國家標準、區域性組織的標準、國際上權威的團體標準和企業標準中的先進標準等。我國的標準一般有國家標準、行業標準、地方標準和企業標準四級。國際上涉及電池相關標準的機構,主要有國際電工委員會(IEC),國際標準化組織(ISO)、聯合國危險貨物運輸委員會(UN/CETDG)等,我國相關機構主要有國家標準化管理委員會、中國電子技術標準化研究院和全國信息技術標準化技術委員會等。通過這些機構所提供的公開系統進行查詢發現,截至目前,未查詢到有專門針對鈉離子電池有關的國際標準、國家標準、行業及地方標準等。這主要是由于全球范圍內鈉離子電池還處于產業化的初級階段,上下游產業鏈還不是十分成熟,導致目前暫無正式的標準或規范推出,但相關企業和從業人員已經逐漸開始關注鈉離子電池標準的布局工作。鈉離子電池與鋰離子電池有相似的工作原理和電池結構等,可以沿用和借鑒現有已成熟的鋰離子電池生產工藝和產業鏈。因此,鈉離子電池作為類似產品在一定程度上可以參照鋰離子電池已發布或引用的相關標準及規范。鋰離子電池經過二十多年的發展,其各類國家、行業和地方標準或規范的覆蓋面已經十分廣泛,全面涉及到了電池的術語和定義、命名規則、產品設計要求、試驗方法、質量評定程序、安全及環境適應性能,標志、包裝、運輸和貯存等方面的內容。現階段鈉離子電池企業也主要是參照或借鑒這些標準或規范的相關內容(表2),并結合鈉離子電池自身的特性和產業發展情況來制定各自的企業標準或產品規范,以此規范產品設計及制造工藝、確保產品質量的一致性,但這也會導致不同企業之間的產品難以統一和標準化,性能和技術水平參差不齊。表2   可供鈉離子電池參考的相關標準當然,鈉離子電池具有其獨特的性質,完全參考鋰離子電池已發布或引用的標準及規范存在較大的局限性。鈉元素的自然屬性決定了鈉離子電池特性與鋰離子電池不同,主要體現在:①Na+/Na電對的標準電極電位比Li+/Li高約0.3 V,表現在鈉離子電池工作電壓范圍與鋰離子電池的差異,所有參照標準或規范中與此相關的各項參數指標無法通用,需要進行調整;②鈉離子在電池材料中嵌入與脫出動力學性能與鋰離子不完全相同,各類標準中涉及到產品性能檢驗部分的內容需要變更;③鈉離子電池可以采用鋁箔作為負極集流體,不存在過放電的問題,還可在放空電后甚至是零電壓下運輸,因此一些安全測試標準、產品運輸及儲存規范等也不能通用。綜上所述,專門制定適用于鈉離子電池的標準對于其技術和產業的發展意義重大。4 鋰離子電池標準化工作的發展及借鑒意義4.1 鋰離子電池標準發展歷程1991年,日本SONY公司首次推出了18650這種標準型的電池型號,開啟了鋰離子電池的商業化應用,并應用于筆記本電腦、手機、數碼相機等便攜式電子產品。在我國早期的鋰離子電池應用過程中,其產品標準主要參照各生產制造企業的企業標準,后隨著我國鋰離子電池產業規模不斷擴大、產品性能不斷提高,亟需制定統一的鋰離子電池行業或國家標準。1998年,我國電子工業部發布了行業標準《SJ/T 11169—1998鋰電池標準》,首次提到了對鋰離子電池的相關技術要求,但沒有嚴格區分鋰電池(原電池)和鋰離子電池。1999年,我國信息產業部發布了第一個專門針對鋰離子電池的行業標準《YD/T?998.2—1999移動通信手持機用鋰離子電源及充電器充電器》。隨后在2000年,中國電子技術標準化研究院牽頭主導了國家標準《GB/T18287—2000蜂窩電話用鋰離子電池總規范》的制定,這是全球首部關于鋰離子電池的國家標準,對推動我國鋰離子電池的產業和技術發展起到了非常重要的作用。至此,鋰離子電池標準化發展首次經歷了從企業標準到行業標準再到國家標準的過程。近年來,隨著鋰離子電池應用從傳統的便攜式電子設備發展到新能源電動車、儲能系統等領域,單一化的標準體系模式已難以適應。以綜合標準化為原則,鋰離子電池全產業鏈、全生命周期(包括產品回收)、全應用領域標準的制定工作等正在逐步推進。同時,2018年12月,為適應產業發展需求,有關單位提出了籌建全國鋰離子電池及類似產品標準化技術委員會的申請,其中類似產品包括了正在研制開發的鈉離子電池、鎂離子電池、鋰金屬蓄電池和鋰離子固態電池等。綜上所述,根據鋰離子電池標準的發展歷程,作為其類似產品的鈉離子電池的各項標準化建設工作是有跡可循的。4.2 鈉離子電池標準技術體系框架2016年11月,工信部正式發布了《鋰離子電池綜合標準化技術體系》,首次將鋰離子電池及類似產品的標準化工作納入了統一的宏觀規劃。該技術體系將鋰離子電池及類似產品的標準分為了5種:基礎通用、材料與部件、設計與制程、制造與檢測設備以及電池產品。而作為鋰離子電池的類似產品,鈉離子電池在其標準化建設時也可借鑒鋰離子電池的方式建立對應的標準技術體系框架(圖5),完善其標準體系布局。圖5   鈉離子電池綜合標準化技術體系框架綜上所述,雖然現有的鋰離子電池標準或規范不能在鈉離子電池上通用,但鋰離子電池的標準化工作的發展歷程、標準體系的編制原則和構成、發展現狀等對后續鈉離子電池的標準化工作建設具有非常重要的借鑒和指導意義。5 對鈉離子電池標準發展必要性和建議標準的制定和統一,可規范專業用語,起到較好的行業引領作用,帶來規模化效應以降低成本,搶占標準化制高點,并有助于服務企業,滿足市場需求。同時電池產品的標準,尤其安全標準是約束產品質量的重要依據,也是規范市場秩序和推動技術進步的重要手段。近年來,低速電動車以及各類儲能應用等領域呈現高速發展的態勢,鈉離子電池憑借獨有的優勢,其研究及產業化迎來了前所未有的機遇。目前已陸續成功在各目標領域開展了示范應用,相關產品也在逐步面向市場推開,與鈉離子電池關聯的產業蓄勢待發,這對制定鈉離子電池相關標準的需求日益迫切。首先,在無鈉離子電池產品相關國家標準、行業標準和地方標準的情況下,當鈉離子電池產品開始進入市場推廣應用時,應由相關企業根據產品特點并結合低速電動車和儲能等目標應用領域的使用要求制定鈉離子電池產品的企業標準,并上報有關行政主管部門審核、備案,以此作為企業組織產品生產、判定產品質量以及銷售的依據。可從專業術語、產品開發設計、生產制造、性能指標及檢驗方法、使用方法和注意事項以及貯存運輸等環節入手,并參照和借鑒鋰離子電池的相關標準的情況開展鈉離子電池產品企業標準的制定工作。其次,隨著鈉離子電池產業進入快速發展期,建議各級有關部門將鈉離子電池的標準研究列入科技計劃,給予科研經費支持,引導鈉離子電池領先企業投入人力、物力進行前瞻性研究和布局。同時成立專項小組,由領先企業牽頭起草,在條件成熟適時推出具備科學性、適用性和可執行性的鈉離子電池相關國家、行業和地方標準,統一并規范鈉離子電池產品的技術要求并作為行業準入門檻。同時,在國家提出的“中國標準走出去”戰略指導下,積極向國際有關標準機構提交鈉離子電池國際標準的制修訂項目提案,主導或參與制定鈉離子電池相關國際標準。并爭取國內鈉離子電池標準或者標準中的技術內容被國外標準采納或直接轉化為國際標準,進而提高我國鈉離子電池產業的競爭力,促進整個鈉離子電池產業鏈的健康、可持續發展。最后,根據產業和技術的進一步發展,逐步細分并詳細制定鈉離子電池的各類標準,覆蓋其產業鏈和生命周期(圖6)。從鈉離子電池產業鏈的角度,可以分為原輔材料、電芯、電池管理系統、電池組、檢測及生產設備、工廠設計等標準;從鈉離子電池生命周期角度,可以分為設計、生產、運輸、貯存、使用、回收等標準。與此同時,還應該意識到標準是對一定時期的總結歸納,用以指導產品技術和產業的發展方向。但是由于鈉離子電池技術和產業的不斷發展,相關新技術等的不斷出現,原有的標準可能不能完全適應,進而對產業技術的發展起到反作用,此時需要根據鈉離子電池的技術發展狀態與時俱進,適時開展相應標準的制修訂工作。圖片離子電池標準分類此外,制定鈉離子電池相關標準不僅要基于各階段降成本驅動抑或是大規模標準化生產等的需求,也要為將來電池回收利用及環保等方面進行考慮;同時加強標準數據庫及共享體系的建設,成立公開、透明、關聯的標準共享平臺,并適時推進鈉離子電池標準的國際化,爭取在全球鈉離子電池產業中掌握優先權和主動權。6 結 語鈉離子電池應用技術兼具高性價比和高安全的優勢,當面對即將到來的大規模儲能國家戰略需求以及崛起的智能電網覆蓋下的家庭儲能市場時,可緩解因鋰資源短缺引發的新能源電池發展受限的問題,同時可實現在新型儲能應用中的無鉛化,產業化前景相當樂觀。從競爭格局來看,我國鈉離子電池無論從技術水平還是產業化推進速度在國際上都處于前列,且擁有鈉離子電池核心技術和自主知識產權,自主創新也是標準的靈魂。產業發展,標準先行,事實證明,標準意味著市場認可的新技術與新規范,主導標準者才能占據市場競爭和行業的制高點。在這方面,我國已具備較大優勢,應力爭獲得全球鈉離子電池標準制定的主導權,引領鈉離子電池技術與應用的發展趨勢。現階段,優先支持部分性能優異的鈉離子電池產品進入國家或地方電池類產品目錄,可盡快推動鈉離子電池的市場化應用,為促進我國新能源電池行業的發展做出貢獻。而標準則可作為鈉離子電池產品進入國家或地方產品目錄的檢驗依據和準入門檻。因此,制定鈉離子電池相關標準刻不容緩。引用本文: 周權,戚興國,陸雅翔等.鈉離子電池標準制定的必要性[J].儲能科學與技術,2020,09(05):1225-1233.ZHOU Quan,QI Xingguo,LU Yaxiang,et al.The necessity of establishing Na-ion battery standards[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(05):1225-1233.

作者: 周權 胡勇勝等 詳情
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2020年以來主要液流電池簽署項目匯總

新型儲能政策推動液流電池進入商業化前期,國內裝機規模未來2年有望實現成倍增長,并在大規模可再生能源并網與電網調峰領域率先爆發。2021年以來,鋰離子電池上游原材料價格暴漲與產能緊缺,暴露出過度依賴單一技術路線的風險:鋰電池下游需求快速釋放造成上游價格上升,產能供應不足,導致儲能與電動車、兩輪車、智能家居等下游“搶電池、搶原料”的情況發生。另外,儲能鋰電池產品壽命不長、火災爆炸等事件時發等問題也影響了鋰電池儲能產品的應用。2021年7月,國家發改委和能源局發布《關于加快推動新型儲能發展的指導意見》,文件提出要堅持儲能技術多元化,推動鋰離子電池等相對成熟新型儲能技術成本持續下降和商業化規模應用,實現液流電池等長時儲能技術進入商業化發展初期。液流電池等新型儲能電池的政策春天正逐步來臨。液流電池在大規模儲能的優勢:超長循環壽命、高安全穩定性、綠色環保液流電池通過不同電解液離子相互轉化實現電能的儲存和釋放。與傳統二次電池相比,其電極反應過程無相變發生,可以進行深度充放電,能耐受大電流充放。與其他電化學儲能技術相比,液流電池最突出特點就是循環壽命特別長,最低可以做到10000次,部分技術路線甚至可以達到20000次以上,整體使用壽命可以達到20年或者更長時間。其次,液流電池的儲能活性物質與電極完全分開,功率和容量設計互相獨立,便于模塊組合設計和電池結構放置;儲存于儲罐中的電解液不會發生自放電;電堆只提供電化學反應的場所,自身不發生氧化還原反應;活性物質溶于電解液,電極枝晶生長刺破隔膜的危險在液流電池中大大降低;同時流動的電解液可把電池充電/放電過程產生的熱量帶走,避免由于電池發熱而產生的電池結構損害甚至燃燒;最后,液流電池的電解液可以實現回收再利用,相比鉛蓄和鋰離子電池,不會對環境造成污染。產品分類看,液流電池按照電解液體系的不同可分為全釩、鐵鉻、鋅溴等不同技術路線。全釩液流電池是目前商業化最為成熟的液流電池路線。首先,全釩液流電池經過多年示范考核,其大規模儲能的工程效果已得到充分的驗證,其他路線由于示范時間短,仍需要經歷較長的驗證周期;相比鐵鉻等技術路線,全釩液流電池的電解液、隔膜、膜電極等原材料供應鏈已經初步成型,國產化進程不斷加快,已能夠支撐起開展百兆瓦級的項目設計與開發,其產業配套更加成熟;最后,全釩液流電池系統(10MW-4小時儲能配置)的單瓦時成本已經能夠控制在2-3元的水平,已經具備初步商業化應用的條件。鐵鉻液流等路線雖然具備更大的降本空間,但從技術瓶頸突破、產業鏈培育和產能建設的進度看,未來五年其他液流電池路線的成熟度和成本水平仍難與全釩液流電池相媲美。液流電池與其他電化學電池技術對比資料來源:公開資料,高工產研新能源研究所(GGII),2021年10月綜上,液流電池是更適合大規模、長時間儲能場合的儲能電池技術路線。從產業配套成熟度看,全釩液流電池將是未來五年主流的液流電池技術路線。隨著裝機規模的快速提升,液流電池的儲能性能優勢將會越發突出。2020年以來市場回顧:簽訂項目數創新高,產業鏈企業擴產加速需求端看,目前液流電池電化學儲能裝機量占比偏低,無論是全球還是中國,比例均低于1%。但2018年以來液流電池簽訂項目數和裝機項目數均創新高,市場熱度明顯提升。以國內為例,根據不完全統計,僅從2021年到2021H1,國內規劃的液流電池裝機量超過6GW,容量超過20GWh。預計2022-2023年該批項目將會密集投運,整體規模將在2021年的基礎上翻番,屆時有望為國內液流電池市場帶來巨額訂單需求。2010-2020年全球液流電池裝機量增長情況(MWh)資料來源:美國能源部2020年以來主要液流電池簽署項目資料來源:公開資料、高工產研新能源研究所(GGII)整理.,2021年10月供給端看,根據GGII產業調研,大連融科、北京普能世紀、樂山偉力得為代表的電池企業,蘇州科潤、攀鋼釩鈦為代表的上游配套企業自2018年以來陸續融資擴產,為即將爆發的液流電池市場屯兵備糧。2021年國內主要液流電池產業鏈擴產項目(部分)資料來源:公開資料、高工產研新能源研究所(GGII)整理.,2021年10月現階段液流電池市場規模較小,整體競爭格局尚未全面打開,大連融科與北京普能世紀涉足液流電池時間較長,其憑借著電堆產品迭代能力、供應鏈整合能力和MW級液流電池項目設計運維能力暫時處于國內領先地位,其裝機規模也遙遙領先國內其他同行。但隨著其他新進入者的加入與擴產項目的完成,未來市場競爭格局仍將存在較大的變數。產品技術端看,液流電池最為詬病的是其能量密度偏低,生產成本偏高。要推進液流電池儲能技術的普及應用,還需要將電堆的功率密度、能量密度和轉化效率再提升一個層次,從而降低電池的成本,提高其可靠性和穩定性,這是行業已經達成的發展共識。GGII預測未來5年,液流電池的產品技術發展將重點圍繞著電堆結構設計的數值模擬仿真、更高效低成本電堆原材料(離子交換膜、雙極板和碳氈等)、高功率密度電堆開發和電解液體系創新等四大方面開展。"十四五"儲能液流電池規模預判:2025年全釩國內裝機有望突破1GW隨著各地液流電池儲能示范項目落地并獲得技術驗證,"十四五"期間將是液流電池從定點示范走向推廣的重要機遇期。高工產研新能源研究所(GGII)預測,"十四五"期間全釩液流電池憑借著更為成熟的產業配套和產品技術、更低的初次投入成本,將成為主流的液流電池技術路線。2025年全釩液流電池國內裝機量有望突破1GW,新增的裝機量主要來源于電源側的可再生能源并網和電網側的削峰填谷兩大應用領域。增長的驅動力主要包括:1)新型儲能政策號召下,國電投、華能、華潤等能源央企加快投資液流電池等新型儲能示范項目,推動液流電池裝機量上一個臺階;2)大連融科、普能等國內產業鏈企業擴產項目投產,帶動電解液、電堆產業鏈配套規模擴大,制造成本進一步下降;3)國內電價市場化改革持續,取消工商業目錄電價、擴大峰谷電價差等電價改革措施在國內逐步落地,增強市場對不同儲能技術路線的包容性和液流電池商業盈利性;4)鋰離子電池安全隱患和儲能時長有限缺陷使液流電池得到新的成長機會。為全面了解儲能液流電池供求發展、技術路線、企業布局、未來前景等狀況,高工產研新能源研究所(GGII)通過實地走訪、電話調研、參考公開資料等途徑獲取了大量的行業信息并進行深度分析,最終形成《2021年中國儲能液流電池市場調研分析報告》。報告共分7章,從儲能細分領域(電源側、電網側和用戶側)、儲能液流電池需求規模、競爭格局、產品與技術、重點企業、風險與建議等方面,為想要了解儲能液流電池從業者提供全面的行業數據和分析報告。數據范圍說明●本報告數據更新至2021年6月。●本報告數據以中國大陸地區數據為主,少量涉及全球其他地區數據。

作者: 沈陽蓄電池研究所新聞中心 詳情
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釩電池產業鏈深度解析

在“碳達峰、碳中和”背景下,以風電光伏為主的清潔能源將逐漸取代以煤炭、石油為主的化石能源。由于風電、光伏間歇性發電的特點,儲能正在從過去的“可選項”變為發展新能源過程中的“必選項”。#釩電池#當前儲能相關支持政策推出速度顯著加快。2021年7月15日,國家發改委、國家能源局正式印發《關于加快推動新型儲能發展的指導意見》,明確到2025年新型儲能裝機規模達30GW以上,未來五年將實現新型儲能從商業化初期向規模化轉變,到2030年實現新型儲能全面市場化發展。文件提出要堅持儲能技術多元化,推動鋰離子電池等相對成熟新型儲能技術成本持續下降和商業化規模應用,實現液流電池等長時儲能技術進入商業化發展初期。目前主要的液流電池包括鐵鉻電池、鋅溴電池及全釩電池等。其中,全釩液流電池是目前研究和應用最廣泛的液流電池技術,其十分適合作為儲能電池,尤其是在光伏、風電等新能源領域。以釩電池為代表的液流電池,2019年裝機規模為20MW,2020年裝機規模達100MW,據不完全統計2020年以來釩電池項目,裝機量已經超過6GW,容量超過20GWH。按照《關于加快新型儲能發展的指導意見》政策制定目標,2025年累計實現新型儲能30GW裝機量,釩電池滲透率20%+,當前滲透率為1%左右,由于光伏、風電等將帶動儲能行業高速發展,釩電池未來發展前景廣闊,2021至2025年有望是釩電池滲透率提升的第一階段爆發期。釩電池有望成為儲能行業大發展賽道上的新星。釩電池的工作原理:資料來源:UET釩電池全稱為全釩氧化還原液流電池(Vanadium Redox Battery,VRB),為液流電池的一種,是一種基于金屬釩元素的氧化還原的電池系統,其電解液是不同價態的釩離子的硫酸電解液。從應用領域來看,釩液流電池當前已實現在智能電網、通信基站、偏遠地區供電、可再生能源及削峰填谷等項目中的應用。全釩液流電池,壽命長、規模大、安全可靠的優勢尤為突出,可用于建造千瓦級到百兆瓦級儲能電站不易燃燒,可實現100%放電,而不損害電池,成為規模儲能的首選技術,在調峰電源系統、大規模風光電系統儲能、應急電源系統等領域具有廣闊的應用前景。釩產業鏈上游:資源端儲量豐富釩在地殼中為第17種常見元素,在地殼中的含量為0.02~0.03%,分布廣泛。釩常以釩鐵、釩化合物和金屬釩的形式廣泛應用于冶金、宇航、化工和電池等行業。釩很少形成獨立的礦物,主要賦存于釩鈦磁鐵礦、磷酸鹽巖、含鈾砂巖和粉砂巖中,此外還有大量的釩賦存于鋁土礦和含碳物質中(如石油、煤)。絕大多數的釩供應來源于共伴生礦床:釩產量中大約有71%來自釩鈦磁鐵礦煉鋼后得到的富釩礦渣,18%直接來自釩鈦磁鐵礦,二者合計達到89%,其他的釩來自釩鈾礦、含釩燃油灰渣、含釩石煤、廢化學催化劑等等。釩主要以伴生元素賦存于釩鈦磁鐵礦中:資料來源:USGS全球釩礦儲量主要集中在中國、俄羅斯、南非,中國儲量占全球的43%。中國的釩礦產量占全球62%。2020年全球釩靜態開采年限達到253年,相比于其他金屬20-50年的靜態開采年限,釩的資源十分充足,其資源儲量完全有能力保障需求的數量級增長。中國的釩礦產量占全球62%:資料來源:USGS, 行行查國內釩資源主要以釩鈦磁鐵礦共伴生存在為主,分布區域主要有四川攀枝花地區、河北承德地區和遼寧朝陽地區。從釩儲量來看,四川攀枝花地區的釩資源最為豐富,攀枝花市境內釩鈦磁鐵礦保有儲量達237.43億噸,其中釩資源儲量達1865萬噸,約占全國儲量的62%,攀鋼釩鈦是國內最大的釩產品生產商,2020年公司釩產品產量占國內產量的18.75%。具備釩制品(折合V2O5)產能2.2萬噸/年,外加托管的西昌鋼釩的產能1.8萬噸/年,公司實際控制的產能達到4萬噸/年。我國主要釩生產企業還包括河鋼承德釩鈦新材料、川威特殊鋼、四川德勝集團鋼鐵、承德建龍特殊鋼等。經歷產能出清過后的釩行業集中度提升,競爭格局優化,龍頭企業定價權進一步提升。攀鋼釩鈦行業龍頭地位得到強化與鞏固,定價權得以進一步提升。釩產業鏈下游:鋼鐵為主要應用領域,儲能需求高速增長釩的下游包括鋼鐵與鑄造、鈦合金、化工以及儲能,釩的應用集中在鋼鐵領域,占比達到85%。儲能方面則被用在全釩氧化還原液流電池中。根據Roskill,得益于對螺紋鋼標準的執行,中國的釩使用強度已經超過了世界平均水平,正在超發達國家邁進。到2030年,全球鋼鐵對釩的需求將達到約136000噸,年均復合增長率達到2.7%。“雙碳”背景下鋼鐵行業對釩的需求增量有限。隨著儲能的高速增長,釩電池有望帶動釩需求呈現爆發式增長。Roskill預測到2030年,VRFBs的釩需求將以約56.7%的復合年增長率增長。世界銀行預測,到2050年,單是儲能領域的釩需求量就可能達到2018年全球釩產量的兩倍。釩電池與鋰電池相比的優劣勢從成本端來看,與鋰電池相比,釩電池最大的劣勢就是成本。隨著消費電子和新能源汽車對鋰電池行業的拉動,鋰電市場規模急劇擴大,技術不斷進步,加上規模效應,帶來成本的大幅下降。資料來源:CNKI, 行行查由于尚未規模化商用,且受制于設備、產能以及高額的前期投入,目前釩電池成本約為鋰電池的2-3倍。以當前集裝箱交付的價格(含電池包、溫控系統、換流系統、消防系統、監控系統等),目前釩液流電池成本達3-3.2元/Wh,對比目前儲能鋰離子電池成本約1.2-1.5元/Wh,釩電池仍面臨巨大的價格壓力。全釩液流電池儲能系統由電堆、電解液、管路系統、儲能變流器等組成,其中電堆和電解液成本占系統總成本的85%左右。隨著政策推進,釩電池形成規模化、集群化產業后,電池成本有望進一步下降。全釩液流電池關鍵技術:資料來源:《全釩液流電池》,行行查相比鋰電池,安全是釩電池最大的優勢。與目前儲能電站的主流電池——使用非水電解液的鋰電池不同,由于全釩液流電池電解質離子存在于水溶液中,發生過熱、爆炸的可能性大大降低,液流電池的安全性能讓其在電池領域脫穎而出。另外,不同于鋰80%供應在海外,釩的供應大約50%在國內,資源不會受制于人。釩的需求結構一直相對穩定,90%來自鋼鐵,儲能目前只占1%。但是隨著儲能進入爆發期,2025年占比有望超過15%,2030年有望超過30%。正如2015年的鋰鈷和2018年的鎳的發展格局,新的需求領域帶來了新的成長空間。隨著儲能行業的快速發展,釩產品未來的需求空間打開,釩有望成為繼鋰鈷鎳之后能源金屬。釩電池放電過程:資料來源:北京普能從釩電池的歷史發展沿革來看,釩電池相關研究源于1984年UNSW對2/3價與4/5價釩離子電對在氧化還原電池中的應用,并于1988年開始進入工業研發階段。1995年,中國工程物理研究院電子工程研究所從率先在國內開始釩電池的研制。先后研制成功了500W、1000W的釩電池樣機,成功開發了4價釩溶液制備、導電塑料成型及批量生產、電池組裝配和調試等技術。2002年,釩鋼龍頭企業攀枝花鋼鐵公司以深化資源利用為目的,與中南大學合作介入了釩電池的研發。2009年,中國普能實現對全球最大釩電池公司VRB Power Systems公司的資產收購,包括其擁有或控制的所有專利、商標、技術秘密、設備材料等。此外,VRB PowerSystems公司的核心技術團隊加入合并后的公司。資料來源:行行查從釩電池市場格局來看,目前釩電池市場體量較小,龍頭格局未顯,產業仍處于發展初期。目前全球范圍內研發和制造企業主要包括日本住友電工SEI、大連融科、北京普能、美國UniEnergyTechnologies等。國內釩電池生產企業主要為北京普能、大連融科、武漢南瑞(國網英大子公司)、上海電氣及偉力得。根據國家發改委、國家能源局發布的《關于加快推動新型儲能發展的指導意見》所制定的目標,到2025年新型儲能裝機規模將達30GW以上,與目前的裝機量相比仍有巨大的空間。釩電池由于其壽命較長,安全性較好,其在儲能領域的滲透率將穩步提升,2025年釩電池在儲能領域滲透率有望達到15%-20%。國家能源集團北京低碳清潔能源研究院儲能技術負責人劉慶華表示:“十四五”時期,我國全釩液流電池將迎來非常好的大規模推廣時機。隨著各地全釩液流電池儲能示范項目落地并獲得技術驗證,未來5年內預計將是全釩液流電池從成熟走向推廣的重要窗口期。”

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為儲能電池“加料” 我國科學家研制出新型釩液流電池電極材料

記者從長沙理工大學獲悉,該校丁美、賈傳坤教授團隊,聯合重慶大學教授孫立東、中科院北京納米能源與系統研究所研究員孫其君,及中科院金屬研究所等多個科研團隊,利用電沉積和氧化還原靶向催化交叉結合技術,共同開發出了一種大規模儲能釩液流電池用的普魯士藍復合電極材料,可顯著提高釩液流電池功率密度和能量效率。這種新型電極材料,有望助推釩液流電池“提質降本”,為其進一步商業化應用提供了新思路。目前,成果進入應用孵化階段,這一研究成果也于日前發布于全球工程技術與材料類著名期刊《SMALL》上。可再生能源開發和利用的迫切性,眾所周知。可再生能源的快速發展,則有賴于高安全、低成本、長壽命的大規模儲能新技術。電化學儲能,是儲能技術的一個重要分支。其中,釩液流電池因具有循環壽命長、安全可靠、功率與容量獨立等優點,是目前最有應用前景的大規模儲能技術之一。不過,要將這類電池產業化,則“受制”于電池性能和成本。電極材料是決定釩液流電池功率成本和效率的關鍵材料之一。目前,最常用的電極材料為碳氈或石墨氈,這類電極材料對釩離子的催化活性低,比表面積也低,成為釩液流電池“提質降本”,進入商業化應用的瓶頸。尋找到高活性、低成本的電極材料,是業內專家研究的熱點和重點。研究團隊歷時3年,開發了該種普魯士藍復合電極,有效提升了釩離子反應活性,從而顯著提高了釩液流電池功率密度和能量效率。“用這個復合電極組裝的釩液流電池,功率密度較碳氈電極提升了50%以上。在100毫安每平方厘米的電流密度下,能量效率甚至超過88%。”丁美說。

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釩電池能否挑戰鋰電池地位?業內專家:前者更適合規模儲能環節

鋰電池產業已經十分成熟,資本市場也已經孕育了寧德時代(300750,SZ)等優質龍頭。新能源電池的路線這么多,這一產業未來是否還會有黑馬殺出?釩電池成為被看好的其中一條路線。今日(7月31日),由四川省釩鈦鋼鐵產業協會和中國鐵合金在線聯合主辦的第十屆中國釩業發展論壇在成都召開。會上,釩電池技術路線成為業內熱議問題。多位業內專家表示,隨著風能、太陽能等清潔能源的發展,儲能環節將為釩電池帶來巨大的需求。相較鋰電池,釩電池的安全性、儲能容量都有優勢。不過,釩電池要完成成熟的商業化進程,還需要解決高成本等制約條件。中國科學院金屬研究所研究員嚴川偉表示,大規模儲能環節適合釩電池。圖片來源:每經記者 胥帥 攝釩電池需求在規模電力儲能在第十屆中國釩業發展論壇上,釩資源的發展等成為熱議問題。“加快培育世界級釩鈦鋼鐵現代產業集群。”四川省經濟和信息化廳黨組成員、副廳長翟剛在論壇上表示,四川釩資源儲量約占全國總儲量的63%,大部分集中在四川攀西地區。其中,攀鋼集團釩產業國內第一,目前也是世界排位第一。在四川省“5+1”現代產業體系中,提出加快建設釩鈦鋼鐵稀土等先進材料產業。釩電池,曾經在2018年火過一陣。伴隨釩電池概念的興起,2018年的攀鋼釩鈦因掌握上游資源被資金熱炒。當年9月到10月間,攀鋼釩鈦(000629,SZ)股價上漲超過了50%。不過釩電池的商業應用遲遲未有突破,炒作幅度自然無法與成熟的鋰電池板塊相比擬。從規模看,截至2019年底,中國已投運儲能項目累計裝機規模32.4GW,其中電化學儲能的累計裝機規模位列第二。這當中,鋰離子電池的累計裝機規模最大,為1378.3MW,占比80.6%;釩電池為代表的液流電池裝機規模僅有20.52MW,占比1.2%。不過釩電池的裝機量正在逐步增長,據國際釩技術委員會統計,全球在運行的釩電池項目達到113個,總裝機為39.664MW,總容量為209.8MWh。四川星明能源環保科技有限公司副總工程師張忠裕表示,2020年上半年,國內外釩電池生產和應用市場已逐漸活躍。“釩電池現在處于商業化前期,它主要應用于新能源儲能環節。”張忠裕告訴《每日經濟新聞》記者,儲能是釩電池的最大優勢,特別適用風力發電、光伏發電的儲能環節,“像光伏發電主要在白天作業,晚上沒有陽光怎么辦?”中國科學院金屬研究所研究員嚴川偉表示,新能源產業鏈的儲能需求,對釩電池這類液流電池來說是剛性需求。“儲能必須做到能源安全,要求電池具備穩定性。大規模儲能環節,釩電池安全的穩定性就很高。”嚴川偉對《每日經濟新聞》記者表示,根據《關于促進儲能技術與產業發展的指導意見》,以10%為配比,2020年光伏發電儲能達到6GW,儲能金額為300億元。不只是光伏,電網削峰填谷同樣存在巨大的儲能需求。商業化突破需降低成本通常來說,釩電池都會被用來與鋰電池比,但嚴川偉認為這樣的比較并不科學。嚴川偉表示,鋰電池和釩電池的應用場景不一樣,比較優勢不一樣,缺點也是各不相同。更為關鍵的是,鋰電池已經進入成熟的商業化運作,釩電池距離這一市場水平還有一段路要走。“鋰電池的理論和應用很成熟,能量密度很高,這是優勢。但釩電池是用于規模電力的用途。”嚴川偉說,這涉及到不同的產業環節,釩電池適合大容量儲能應用,鋰電池則涉及小容量。基于不同的應用場景,兩種電池展現的技術優勢也各不一樣。釩電池充放電不涉及固相反應,電解液使用的損耗非常小。基于這一優勢,釩電池用于大規模電力儲能時,會減少傳輸階段的電力損耗。張忠裕說,況且釩電池體量比鋰電池大,這決定它很難直接用于新能源汽車。但需要注意的是,釩電池雖然展示了在儲能領域的技術優勢,可商業化進程為何沒有大的突破?“主要還是成本太大。”張忠裕說,他此次在論壇的報告主題就是降低釩電池成本,“10kW/40kWh釩電池儲能系統為例,儲能系統成本占比最大為釩電解液成本,占總成本的41%,電堆成本達到37%,兩者總和達到78%。降低釩電池價格最有效的辦法就是降低釩電解液及電堆的生產成本。”嚴川偉表示,降電堆成本就是要開發低成本材料、提高電流密度,降電解液成本就是要有低成本的釩源、低成本技術路線。張忠裕說,釩電池的材料成本高,“主要是沒有大規模商業化,缺乏產業配套的企業。產業成熟,規模經濟起來了,單位成本就會降低。”另一方面,張忠裕認為,釩電池產業環節具有較高的門檻,即初始的投資要求較高,“雖然拉長時間周期,整體成本和鋰電池差不多。但它的初始投入資金就高出很多。”所以,嚴川偉也建議企業要進入釩電池領域,需要明確在產業鏈的定位。嚴川偉和張忠裕均表示,釩電池解決了經濟性問題,那么產業化和商業化的那天就能很快到來。但也有業內人士表示,釩電池是釩需求潛在增長點,但不確定性很大,“有一定前景,仍需要通過示范工程驗證”。不過總體來看,釩電池的未來還是被廣為看好,釩礦資源也會有需求。

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中國科學家研發出新一代全釩液流電池電堆

中國科學院大連化學物理研究所(以下簡稱“大連化物所”)11日發布消息稱,該所研究員李先鋒、張華民領導的科研團隊近日成功研發出新一代低成本、高功率全釩液流電池電堆。風能、太陽能等可再生能源固有的隨機性、間歇性、波動性、直接并網難等特性,一定程度上限制了可再生能源的發展利用。全釩液流電池是一種高性價比、高能效、長壽命的規模儲能技術,其可將不穩定的可再生能源儲存,并實現平穩輸出利用。經測試,該電堆在30千瓦恒功率運行時,其能量效率超過81%,100個循環容量無衰減。據介紹,全釩液流電池儲能系統由電堆、電解質溶液、管路系統等組成,其中電堆起到了至關重要的作用。而相對于傳統全釩液流電池電堆,新一代電堆采用的可焊接多孔離子傳導膜可以提升離子選擇性,提高電解液的容量保持率,此外,多孔離子傳導膜的成本遠低于商業化的全氟磺酸膜,從而可大幅度降低電堆成本。“我們通過應用自主研發的可焊接多孔離子傳導膜,實現了對電池電堆組裝工藝的改進。”大連化物所研究員李先鋒表示,新一代全釩液流電池電堆不但保持了傳統電堆的高功率密度,相比傳統電堆,其總成本也下降了40%。大連化物所方面表示,新一代全釩液流電池電堆的成功研發,將大幅度降低全釩液流電池系統的成本,推動全釩液流電池的產業化應用。上述工作得到了中國科學院“變革性潔凈能源關鍵技術與示范”戰略性先導科技專項、國家自然科學基金等項目的支持。(完)

作者: 楊毅 詳情

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