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远东电池10月获约2.88亿元电池订单

11月1日,远东股份发布公告称,10月,公司收到子公司中标/签约千万元以上合同订单合计为人民币9.98亿元。其中,远东股份子公司远东电池10月共获电池订单约2.88亿元。公告显示,远东电池10月份在南亚市场获得锂电池订单1.4亿元,欧洲电动工具锂电池订单1.16亿元;国内锂电池订单3200万元。远东电池表示,公司为智能缆网、智能电池、智慧机场龙头/领军企业,上述合同将对公司未来经营业绩产生积极影响。值得注意的是,9月份远东电池已获欧洲市场订单约1.53亿元;国内锂电池订单2380万元。9月,远东股份智能电池板块订单超过2亿元。远东电池有江西和江苏两大产业基地据了解,远东电池成立于2009年,是一家专业从事锂离子电池、动力电池组研发、生产、销售及售后服务于一体的国家高新技术企业,产品应用领域有二轮车电动工具市场,3C数码小家电市场,汽车动力电池组市场等。公开资料显示,远东电池拥有江西和江苏两大产业基地。其中,江西基地总投资40亿元,专业从事圆柱锂离子电池、动力电池组研发、生产、销售及服务,现拥有产能6GWh,其中21700电池日产40万支、18650电池日产120万支);江苏基地总投资66.8亿元,总产能规划12GWh,产品分为NCM三元及磷酸铁锂两个系列,目前1GWh已经投产,着重深耕锂离子软包电池研发与制造。远东股份前三季度实现净利润4.23亿元远东股份创建于1985年,目前已布局智能缆网、智慧机场、智慧电池、智慧能源四大业务板块。到2025年,该集团目标实现年营业收入1200亿元,年净利润超63亿元。10月22日晚,远东股份发布2021年三季报。报告显示,公司前三季度实现营业收入149.36亿元,同比增长6.48%;实现归母净利润4.23亿元,同比增长142.38%,均创同期新高。远东股份表示,前三季度净利润同比大幅增长的主要原因系本年大力拓展智能电池业务,利润同比去年上升,以及公司加强经营风险管控,坏账金额减少所致。据了解,该报告期,远东股份智能电池板块主要包括锂电池和锂电铜箔业务。报告期内,远东股份锂电池业务实现营业收入4.44亿元,同比增长79.21%,净利润-2.74亿元,同比减亏1.03亿元;前三季度中标/签约千万元以上合同订单为13.18亿元,同比增长961.81%。其中,远东股份获得小牛电动为期三年1.5亿支的18650锂电芯订单预计产生营收不低于9亿元,截至报告期末小牛电动的订单已完成发货2331.82万支,累计金额1.36亿元。在储能市场,远东股份取得突破性进展,获得欧洲户用储能4336.20万元订单,正式切入欧洲市场。在电动工具市场,远东股份继续深化与小牛、纳恩博、博力威等轻出行领域业务合作,积极开发一线品牌的电动工具客户,获欧洲车企认可,实现1.1亿元订单。报告期内,远东股份锂电铜箔业务实现营业收入4.58亿元,同比增长115.91%,净利润0.50亿元,同比增长2947%。目前公司供货宁德时代等客户,加快产能爬坡释放及锂电客户拓展。此外,10月13日上午,由四川宜宾三江新区管委会、宜宾市南溪区人民政府、远东控股集团有限公司联合举办的远东智慧能源股份有限公司宜宾智能产业园项目启动仪式。据介绍,该产业园项目占地面积991亩,规划总建筑面积约40万平米,总投资60亿元,园区内设“新基建用高端电线电缆研发生产基地”和“新能源车动力电池用高精铜箔研发生产基地”,项目将建设形成年产高精度铜箔5万吨等。

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美国能源部提供2亿美元开发先进电池,建立“锂桥”联盟加强供应链

美国能源部(DOE)宣布,将为26个新的国家实验室项目提供2.09亿美元的资金,重点支持电动汽车、先进电池和联网汽车。美国能源部认为,先进的锂基电池在21世纪的技术中扮演着不可或缺的角色,如电动汽车、固定电网存储和国防应用,将是确保美国清洁能源未来的关键。此外,能源部的阿贡国家实验室宣布成立“锂桥”(Li Bridge)联盟,以公私合作伙伴关系弥合美国国内锂电池供应链的缺口。这些举措都是为了使美国成为电动汽车和电池创新领域的全球领导者,降低碳排放污染,并创造高质量的就业机会。美国目前严重依赖从国外进口先进的电池组件,这使美国面临着供应链脆弱性,有可能破坏这些技术的可用性和成本。美国能源部宣布的26个国家实验室项目将涉及四个关键技术领域:——显著降低下一代电池技术的成本和尺寸——推进极快充电,使电池在15分钟内充满电——缓解全国数千万辆充电车辆对电网的潜在影响——优化合作车对车通信和控制,减少能源使用和排放由美国能源部阿贡国家实验室领导的“锂桥”项目将与整个国家实验室联合体合作,以加速发展一个稳健、安全的锂基电池国内供应链,使美国在全球电池价值链中拥有长期的竞争力。

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比亚迪时隔9个月再次巨额融资 将加大动力电池布局

财联社(上海,编辑 阿荣)讯,随着全球汽车电动化进行,作为全球新能源汽车行业先行者之一的比亚迪凭借长期以来的技术积累和前瞻布局,已成为投资者关注目标。比亚迪股份(01211.HK)于周一早晨发布公告称,该公司发行5000万股H股,每股配售股份的配售价276.0港元,较上周五收盘价296.6港元折价近6.9%。公告称,如果所发行股份全部配售,预计所筹金额约138亿港元,净融资137.44亿港元。这是公司继1月融资299.25亿港元后,再一次巨额融资。根据比亚迪公告,该公司和配售代理于2021年10月29日(收市时间后)订立了配售协议,本公司将发行本公司注册资本中每股面值人民币1元的5000万股新H股。每股配售股份的配售价276.0港元。至于募资用途,比亚迪的表述与1月融资时相同,即其资金将拟用作集团补充营运资金、偿还带息债务、研发投入以及一般企业用途。不过比亚迪同时表示,此次配售将为该公司在业务机会中提供优化资本结构和财务结构的良机,亦通过吸引若干高品质机构投资者参与配售,进一步扩大本公司股东队伍。比亚迪在公告中指出,电动化及智能化是汽车行业未来发展方向,公司将通过技术革新实现新能源汽车对燃油汽车的加速替代,并通过汽车智能化领域的软硬件布局,实现传统汽车向智能汽车的飞跃。凭借动力电池领域的研发积累、工艺优势及开创性的刀片电池技术,公司将持续加大动力电池的产能布局,推动中国动力电池向全球汽车厂商的输出。此外,根据比亚迪近日发布三季度报,第三季度营业收入为543.07亿元,同比增长21.98%;归母净利润为12.70亿元,同比下降27.5%;扣非后净利为5.18亿元,较上年同期下降67%。对于比亚迪的表现,摩根大通还是看好该公司的发展。根据该行发布最新报告,该公司受到受到汽车销量稳健增长以及产品组合推动,公司第三季盈利略高于预期,盈利表现稳固,而年初至今,比亚迪股价已上涨49%,跑赢大多数代工生产商和恒生中国企业指数,加上其潜在的正面催化剂,包括其半导体子公司的IPO等。因此摩根大通给予比亚迪股份(01211.HK)超配评级,目标价由350港元上调至400港元。

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磷酸铁锂电池回潮引人关注

近日,奔驰汽车公司宣布将在旗下入门级新能源汽车中转向使用价格更便宜的磷酸铁锂电池,以防止入门级车型中使用的部分金属原材料价格飙升所带来的成本问题,这再次引起了业内对动力电池技术路线的关注。事实上,今年以来,动力电池产业发生了变化,磷酸铁锂电池对三元锂电池的反超成为业内热议的话题。根据中国汽车动力电池产业创新联盟公布的产业数据,5月和7月开始,中国市场上磷酸铁锂电池产量和装车量开始超过三元锂电池。9月份,无论是产量还是装车辆,磷酸铁锂电池都高于三元锂电池。前三季度,磷酸铁锂电池增速持续超过三元锂电池。而在去年,三元锂电池还占据着市场的绝对主流。业内人士认为,造成磷酸铁锂电池回潮的主要诱因是主机厂降低成本。由于补贴逐渐退坡并将最终退出,而“双碳”目标倒逼车企加大电动汽车销售力度,主机厂普遍面临降低电动汽车成本的压力,以取得竞争优势。从价格来看,三元锂电池所使用的材料镍、钴、锰酸锂在全球储量低,加上新冠肺炎疫情带来的不确定性,导致其价格不断攀升;而磷矿的储量较为丰富,这让磷酸铁锂电池具有了一定的成本优势。据了解,在奔驰转向使用磷酸铁锂电池之前,特斯拉、蔚来、小鹏、广汽埃安等传统车企的标准续航或者低续航车型都开始采用磷酸铁锂电池,比亚迪今年4月宣布旗下电动汽车将全部采用磷酸铁锂电池。另一方面,磷酸铁锂电池技术过去几年也有提升,再加上电池包的内部结构因技术创新得到了优化,使系统能量密度出现较大幅度的提升,在一定程度上弥补它在续航里程方面的短板。但不少业内人士也同时提出,虽然随着近年来技术的不断改进提升,磷酸铁锂电池使用的范围得到了拓展,但其能量密度天花板依然较低,对车辆的续航里程构成限制,目前来看,三元锂电仍是高端车型主流技术路线。比如,在不久前举行的2021全球新能源与智能汽车供应链创新大会上,中国电子科技集团公司第十八研究所研究员肖成伟介绍,从2020年纯电动乘用车电池系统能量分布来看,140-160Wh/kg中很大一部分是磷酸铁锂电池,160Wh/kg以上以三元锂电池为主;目前低成本的纯电动车以磷酸铁锂电池为主,高性能车以三元锂电池为主,也有一些车企在探索将三元锂电池和磷酸铁锂电池混用的方向。这表明,在一段时期内,磷酸铁锂电池和三元锂电池将继续作为动力电池的两条主要技术路线存在,并应用在不同的车型上,如果考虑到电动汽车消费升级和车企纷纷发力高端车市场的背景,三元锂电池仍有较大发展空间。

作者: 岳倩 详情
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储能钠电池技术的挑战与前景

一、前言2017 年 10 月,国家发展和改革委员会、国家能源局等五部委联合出台了《关于促进我国储能技术与产业发展的指导意见》,指出加快储能技术与产业发展,对于构建“清洁低碳、安全高效”的现代能源产业体系具有重要的战略意义。这一政策的出台直接推动了“十三五”期间我国储能产业的蓬勃发展。随着“十四五”期间“双碳”目标的提出,2021 年 4 月,国家发展和改革委员会、国家能源局再次联合发布了第二部针对储能产业的国家级综合性政策文件《关于加快推动新型储能发展的指导意见(征求意见稿)》,明确提出到 2025 年,实现 3000万kW 的储能目标,实现储能跨越式发展;到 2030 年,实现新型储能全面市场化发展。《关于加快推动新型储能发展的指导意见(征求意见稿)》还指出,储能技术要以需求为向导,坚持多元化发展,这为储能技术的发展明确了目标和方向。目前,储能系统从发电侧、输配电侧到用户侧的一系列支撑服务逐渐成为弹性和高效电网的重要组成部分。较小型的分布式储能系统今后也将更广泛地在家庭、企业和通信基站中推广应用。我国储能呈现多元化发展的良好态势:抽水蓄能发展迅速,锂离子电池储能技术成熟度飞速提高,压缩空气储能、飞轮储能、超导储能和超级电容、钠硫电池、液流电池、铅蓄电池等储能技术研发应用加速,储氢、储热、储冷技术也取得了一定进展。其中,电化学储能(或二次电池储能)技术相对于水电、火电等常规功率调节手段具有较大技术优势:响应时间为毫秒级,跟踪负荷变化能力强,便于精确控制;对实施的地理环境要求较低;具有削峰填谷的双向调节能力。2021 年 4 月,中关村储能产业技术联盟(CNESA)发布的《储能产业研究白皮书 2021》显示,截至 2020 年年底,中国已投运储能项目累计装机规模 35.6 GW,占全球市场总规模的 18.6%,同比增长 9.8%,其中电化学储能的累计装机规模仅次于抽水蓄能,位列第二。目前,各种电化学储能技术的基本特征和成熟度各不相同,每一种技术都有不同的数量在全球不同的地点进行部署。包括锂离子电池、钠硫电池、钠 – 金属氯化物电池、液流电池和铅酸电池在内的 5 类电池技术已经被认为是较可靠的能源供应体系,在全球范围内有兆瓦级的装机规模。2017 年以来,锂离子电池急剧发展,占据了中国和美国储能市场绝大部分份额,技术成熟度不断提高。随着越来越多锂电储能系统的部署,安全事故的风险也随之增加,尤其是电池热失控导致的安全事故频发引起了人们的重视和担忧。2019 年,国家电网有限公司发布《关于促进电化学储能健康有序发展的指导意见》,意见强调要严守储能安全红线。不仅如此,锂等元素昂贵,地壳中含量少且分布极不均匀,对于长期规模化应用而言可能会成为一个重要问题。钠元素和锂元素有相似的物理化学特性,且在地壳中储量丰富,资源分布广泛,因此发展针对规模化储能应用的储能钠电池技术具有重要的战略意义,近年来得到研究者的广泛关注。已经在储能领域规模化应用的钠电池体系主要包括两种,即基于固体电解质体系的高温钠硫电池和钠 – 金属氯化物电池体系。它们的负极活性物质均为金属钠,更准确地被称为钠电池。钠离子电池通常指有机体系钠离子电池,由于其技术水平提升较快,成为极有前景的储能电池之一。目前全球从事钠离子电池工程化的公司已有 20 家以上。最近,中国科学院物理研究所与中科海钠科技有限责任公司联合推出的 1 MWh 钠离子电池光储充智能微网系统在山西太原投入运行。宁德时代新能源科技有限公司(CATL)近期也发布了他们的第一代钠离子电池,能量密度达到 160 Wh/kg。然而钠离子电池尚未在储能产业上大规模推广,其应用优势有待验证。水系钠离子电池具有环保、低成本、制造方便、安全性好、易回收等优点,但是存在电压窗口较低、电极材料副反应等严重影响寿命的问题。因此,本文主要针对大规模储能用安全性改善的钠硫电池和钠 – 金属氯化物电池储能钠电池体系进行综述和研究。二、储能钠电池技术概述(一)钠硫电池钠硫电池是一种基于固体电解质的高温二次电池,它以钠作为阳极,以渗入碳毡中的硫作为阴极,传导钠离子的 β"- 氧化铝陶瓷在中间同时起隔膜和电解质的双重作用 。它的电池形式为(–)Na(l) | β"-Al2O3 |S/Na2Sx(l)|C(+),其中 x=3~5,基本的电池反应是:2Na+xS ←→ Na2Sx。电池的工作温度控制在 300~350 ℃,此时钠与硫均呈液态,β"- 氧化铝具有高的离子电导率(~0.2 S/cm),电池具有快速的充放电反应动力学。钠硫电池以 Na2S3 为最终产物的正极理论比容量约为 558 mAh·g–1,在 350 ℃的工作温度下具有 2.08 V 的开路电压。钠硫电池一般设计为中心负极的管式结构,即钠被装载在陶瓷电解质管中形成负极。电池由钠负极、钠极安全管、固体电解质(一般为 β"- 氧化铝)及其封接件、硫(或多硫化钠)正极、硫极导电网络(一般为碳毡)、集流体和外壳等部分组成。通常固体电解质陶瓷管一端开口一端封闭,其开口端通过熔融硼硅酸盐玻璃与绝缘陶瓷进行密封,正负极终端与绝缘陶瓷之间通过热压铝环进行密封。钠硫电池拥有许多优良的特性:①比能量高。目前,钠硫电池的实际能量密度已达到 240 Wh/kg 和 390 Wh/L 以上,与三元锂离子电池相当。②功率密度高。用于储能的钠硫单体电池功率可达到 120 W 以上,形成模块后,模块功率通常达到数十千瓦,可直接用于储能。③长寿命。电池可满充满放循环 4500 次以上,寿命为 10~15 年。④库伦效率高。由于采用固体电解质,电池几乎没有自放电,充放电效率约为 100%。⑤环境适应性好。由于电池通过保温箱恒温运行,因此环境温度适应范围广,通常为–40~60℃。⑥电池运行无污染。电池采用全密封结构,运行中无振动、无噪声,没有气体放出。⑦电池原料成本低廉,无资源争夺隐患,结构简单,维护方便。(二)钠 – 金属氯化物电池钠 – 金属氯化物电池(也称 ZEBRA 电池)可与钠硫电池统称为钠-beta 二次电池,其结构与钠硫电池类似,负极是液态的金属钠,β"-Al2O3 陶瓷作为固态电解质,不同的是,ZEBRA 电池工作温度略低,为 270~320℃,正极部分由液态的四氯铝酸钠(NaAlCl4)辅助电解液与固态的金属氯化物组成,其中氯化镍的应用研究最为广泛。钠 – 氯化镍电池的基本电池反应是:2Na+NiCl2 ←→ 2NaCl+Ni, 300 ℃下开路电压为 2.58 V。与钠硫电池类似,钠 – 金属氯化物电池同样具有长寿命、库仑效率高、环境适应性好、无污染运行等特点。钠 – 金属氯化物电池的实际比能量偏低,为 110~140 Wh/kg,但仍是铅酸电池的 3 倍左右,而且还具有其他一些值得关注的优良特性:①高安全性。钠 – 金属氯化物电池具有短路温和放热和过充过放可逆等特点,确保电池在电气和机械滥用时的高安全性。②无钠组装。电池以放电态组装,仅在正极腔室装填金属粉体、氯化钠和电解液,制造过程安全性高。③高电压。开路电压较钠硫电池提高 20% 以上。④维护成本低。电池内部短路时特有的低电阻损坏模式大大降低了系统的维护成本。(三)储能钠电池生产制造的核心技术高温钠硫电池电芯的核心技术包括了 β"- 氧化铝精细陶瓷的烧制、电池密封技术、负极润湿保护管设计、正极外壳防腐蚀和正负极装填技术等。首先,β"- 氧化铝精细陶瓷的质量和一致性深刻影响电池的电化学性能和安全特性,是最为关键的一环。其次,任何一个密封部件的损坏都会导致正负极材料的蒸汽直接接触而发生反应,因此电池密封技术成为钠硫电池的核心技术之一。再次,熔融硫和多硫化钠对金属具有强腐蚀性,因此包括作为正极集流体的外壳在内的接液部件的防腐蚀技术也是钠硫电池实用化的关键。最后,电池正负极的有效装填及其与固体电解质之间界面的润湿层设计是电池高性能运行的必备要素。相对于钠硫电池,钠 – 氯化镍电池电芯无须对外壳进行防腐蚀处理,但是正极长循环稳定技术成为电池的核心技术之一。高温钠电池模组的核心技术包括了绝热保温箱技术、模组热管理技术、模组内 / 间阻燃技术以及电池管理系统与保护电路设计等。电池的高温运行环境对电池保温箱提出了较高的要求。绝热保温箱技术一方面需要保证电池在待机时的低电耗,另一方面还要保证保温箱轻量化,以提升电池整体的能量密度。由于电池放电模式下的化学反应为放热反应,此时模块内部将出现 22~35 ℃的升温,而充电过程中温度会下降到待机水平。长时间的升降温循环不仅考验电池密封材料的热机械性能,还对模块的热管理提出了快速响应的要求,否则可能造成温度无法及时复原。另外,模组内 / 间防火技术以及电池管理系统与保护电路设计对电池的长期安全运行也具有重要意义。三、储能钠电池的应用需求储能钠电池可针对极端环境(如高热、高寒、高盐腐蚀等)下的风能、太阳能等可再生能源发电企业配套大容量、安全可靠的储能系统;为载人潜艇、陆军战车、水下平台等提供动力,服务国防科技事业;为第五代移动通信技术(5G)通信基站、数据中心等室内用电大户提供备用电源,为国家的节能减排事业及“碳中和”战略做出贡献。储能钠电池的应用领域为锂离子电池技术提供有益补充,其主要的应用场景如下。(一)极端环境应用随着全球气候变暖,国内外 50 ℃以上的极端高温天气频繁,亚热带和热带地区更是如此。电池的高温运行需求逐渐受到重视。油气勘探的井下温度可超过 170 ℃,能耐受如此高温的电池很少,目前井下仪器的电能供应采用的是锂一次电池。军用电池需要适应多种恶劣的应用环境,被要求在 –50~70 ℃的温度范围内正常工作。作为下一代无线通信体系的重要组成,高空平台通信系统是位于平流层的高空平台向上连接卫星、向下连接低空无人机和地面节点,作为空中基站或中继节点,提供快速、稳定、灵活的应急通信系统。高空平台通信系统运载器是一个保持在 20 km 高度并停留 5 年时间的静止平台。运载器所需能源由太阳能电池板提供,对其所搭载的储能电池要求高比能(>110 Wh/ kg)、性能的高可靠性和稳定性(>5 年寿命和性能降低 <10%)和超低温运行(–55℃)。另外,海岛、近海等高盐雾环境也限制了大量电池体系的应用。研究表明,锂离子电池在无人机上的应用受到高低温环境的极大限制。电池正常使用温度范围是 –15~50 ℃。低温条件下,锂离子电池面临的锂枝晶问题和离子扩散迟缓问题会更加严重,高温条件则会加速锂离子电池阴极固液界面的副反应和电解液退化,引发严重的热失控。事实上,传统的液体电解质基二次电池难以满足极端高低温应用需求。具有较高的能量密度、10 年以上运行寿命和对环境温度不敏感等特性的固体电解质基钠硫电池和钠 – 氯化镍电池则被证明非常适合极端高低温的应用场景。在热带沙漠气候的阿拉伯联合酋长国,钠硫电池被认为是比锂离子电池更优异的储能技术。在日本,钠硫电池被选择成为火箭发射场的备用电源。ZEBRA 电池作为高低温下可靠耐用的二次电池,目前已成为井下设备电源的优选方案,同时也针对高空平台通信系统运载器开展应用示范。(二)高安全应用高安全应用场景指发生安全事故时难以止损或事故代价大的应用场景。近年来,随着大数据、物联网、云计算等技术的发展,大型数据中心的建设速度激增,运营规模也越来越大。然而,一方面,数据中心需要大量的电能来维持正常运营,电力成本成为数据中心的重要成本组成。通过智能微网的建设来降低能耗已成为各大数据中心运营公司降本增效的重要途径。另一方面,数据中心需要配备非常安全可靠的备用电源以应对不时之需。大型数据中心等室内储能或备用电源高安全应用场景对其储能系统的安全性提出了更高的要求。交通运输领域的危化品运输车、地下装载机等交通工具以及水下应用领域的载人潜水器、深海平台用电源等也对电源安全性提出了更高的要求。ZEBRA 电池作为一种电化学本征安全的电池体系,在高安全要求的领域具有其独特优势。它曾被选为英国和北约 LR7 型深潜救生艇的动力电源。2013 年,通用电气有限公司(GE)生产的 ZEBRA 电池成功地为 Coal River Energy 公司位于美国西弗吉尼亚州明矾溪的采矿铲车提供动力支撑。在储能安全越来越受重视的今天,ZEBRA 电池体系将会有更大的发展空间。(三)长时储能长时电化学储能能够更加灵活地以半天甚至几天的时间跨度来管理风能和太阳能的间歇性,将可再生能源转化为全天候资源,为无碳电网铺平道路。随着可再生能源份额的增长,更大的挑战将是在数周或数月的时间跨度上消除可再生能源产量的可变性。发展长时储能技术势在必行。近年来,锂离子电池在新型储能建设中占据绝对主导地位,但它们的供电持续时间很少能超过 4 h。虽然锂离子电池在技术上可以实现更长时间的放电,但是出于资源稀缺和安全性的考虑,将它用于长时储能的成本通常高于它的价值。钠硫电池已在全球范围内提供容量超过 540 MW/3780 MWh 的储能系统,显示了有效的调峰、负载均衡和节能减排的能力,被认为是最有效的额定输出 6 h 以上的长时电化学储能电池之一。同时,钠硫电池具有模块化扩展的特性,有潜力提供 8 h 以上或更长时的供电系统。意大利非凡蓄电池公司(FIAMM)生产的 ZEBRA 电池在欧洲的意大利、法国以及南美洲的圭亚那等地区部署了多个兆瓦级的储能电站。这些电站的运行情况证实用于大规模电化学储能的高安全性钠 – 氯化镍电池技术已经成熟。四、储能钠电池的国内外发展与应用现状(一)钠硫电池在国内外的发展与应用现状虽然钠硫电池早期在国内外航空航天和电动汽车等领域开展应用示范,但是钠硫电池的储能商业化运作始于 1983 年日本碍子株式会社(NGK 公司)和东京电力公司的合作,开发用于静态能量存储的钠硫电池储能系统。2002 年,NGK 公司正式量产钠硫电池,并通过东京电力公司开发储能系统投入商业运行,目前在全球运行了超过 200 个储能电站项目,4 GWh 以上的钠硫电池储能系统。然而, 2011 年 9 月,东京电力公司为三菱材料株式会社筑波厂安装的钠硫电池(NGK 生产)系统发生火灾,这一事件在一定程度上造成了业界对于钠硫电池安全性的担忧。其后,NGK 先对正在运行的钠硫电池电站的模组和系统进行安全隐患维护,并对新生产的电池在电芯层面和模块层面同时采取了多种提高安全保障的新措施。通过采取一系列应对举措后,从 2013 年开始,NGK 生产的钠硫电池在日本、阿联酋和欧洲等国家和地区持续有大型储能项目上线。2016 年 3 月,NGK 公司和九州电力株式会社共同推出的 50 MW/300 MWh 钠硫电池储能系统改善电力供需平衡的示范项目开始运行,是当时全球最大的大容量储能电站(见图 1a)。2019 年,NGK 在阿布扎比酋长国完成的一个项目使用了 108 MW/648 MWh 的钠硫电池储能系统,持续放电时间达 6 h。图 1b 显示的是应用于意大利南部高压电网的 34.8 MW 钠硫电池储能电站的局部照片。在意大利,钠硫电池的电芯和模块经过了严谨的风险评估,包括内源性短路和外源性火灾、地震、洪水、直接和间接闪电、蓄意破坏、高空坠落等滥用场景。评估结果显示,经过安全性提升的钠硫电池技术具有较高的安全可靠性。图 1 钠硫电池储能系统 / 电站的商业应用实例近些年,钠硫电池技术在日本以外的其他国家也得到了应用研究和推广,包括美国、中国、韩国、瑞士等。2006 年,由中国科学院上海硅酸盐研究所(SICCAS)与上海电力公司合作开展用于大规模储能应用的钠硫电池研究。SICCAS 开发的 30 Ah 和 650 Ah 两种规格钠硫单体电池具有良好的循环稳定性,寿命超过 1200 次。此后,一条年产能 2 MW 的 650 Ah 单电池中试生产线建成。2010 年上海世界博览会期间,中国科学院上海硅酸盐研究所和上海电力公司合作,实现了 100 kW/800 kW 钠硫电池储能系统的并网运行(见图 1c)。2011 年 10 月,上海电气集团与中科院上海硅酸盐研究所以及上海电力公司签订合资合同,成立上海电气钠硫储能技术有限公司,开始钠硫电池的产业化开发。2015 年,上海钠硫电池储能技术有限公司在崇明岛风电场实现了兆瓦时级的商业应用示范(见图 1d)。中科院固体物理研究所近年也突破了 β-Al2O3 陶瓷的制备技术,掌握了陶瓷烧结、陶瓷玻璃封接、金属与陶瓷连接等核心技术,目前处于钠硫电池组研制的中试阶段。除此之外,韩国浦项产业科学研究院(RIST)针对平板和管式钠硫电池进行较为系统的工程化开发。RIST 从 2005 年开始申请钠硫电池材料与制造的专利,目前持有 53 项以上相关有效专利。(二)钠 – 金属氯化物电池在国内外的发展与应用现状美国通用电气有限公司于 2007 年购买了英国 beta R & D 公司的 ZEBRA 电池技术,建立 “Durathon”电池品牌,经过 11 年研发,投入资金超过 4 亿美元。早期主要面向车用,图 2a 为装载 Durathon 动力电池的矿车。目前 GE 在全球多个国家和地区的电网和电信领域运行了总计 15 MW 以上、30 余个 ZEBRA 电池储能项目。图 2d 分别为 Durathon 扩展储能系统。2017年1月,超威电池与 GE 开展技术合作,合资成立浙江绿能(安力)能源有限公司,进军国内储能电池市场。2010年,与 GE 拥有同一技术源头的 MESDEA 公司和 FIAMM 成立新公司 FZ SONICK SA,并推出了 SONICK 商标的 ZEBRA 电池,主要应用在电动车、备用电源等领域。2015 年,FZ SONICK 的 ZEBRA 电池储能解决方案被德国航空和运输领域的跨国公司庞巴迪公司选中,为 Innovia Monorail 300 平台列车项目提供备用电源服务。图 2b 和图 2e 分别为 SONICK 电池应用于微网储能及其储能单元的情况。FZ SONICK 还为萨沃纳大学校园提供了智能电网储能系统。从2016年开始,德国弗劳恩霍夫陶瓷技术与系统研究所(IKTS)也在 ZEBRA 电池上持续投入。2019年3月,欧洲储能展会上,IKTS 展示其最新开发的“Cerenergy” 陶瓷钠 – 氯化镍高温电池。该型号的钠镍电池容量为5kWh,由 20 个单电池组成,每千瓦时成本将低于 100 欧元。2015年11月,作为 SunShot 聚光太阳能发电阿波罗计划的子计划,美国能源部提供犹他州盐湖城 Ceramatec 公司和乔治亚技术研究所总计 234.878 万美元经费支持,重点开发聚光太阳能高温熔盐钠盐蓄电模块,预计实现 92% 以上的蓄电效率目标。同时,美国西北太平洋国家实验室在美国能源部支持下持续开展平板型钠盐电池的产业化研发。在国内,从2014 年开始,中国科学院上海硅酸盐研究所在前期钠硫电池和钠镍电池的研发基础上,开展钠镍电池产业化的推进工作。2017 年,中国科学院上海硅酸盐研究所参股成立上海奥能瑞拉能源科技有限公司,开展钠镍电池产业化开发。如图 2c 和图 2f,目前该公司已完成年产100MWh 的钠镍电池工厂的全线调试,进入第一代产品的试生产阶段。图 2 钠 - 金属氯化物电池储能产品及其商业应用实例五、我国储能钠电池发展面临的挑战储能钠电池在电力系统和电信系统具有极大的应用优势,并得到全球储能市场的普遍认可,但是由于其技术难度大,目前储能钠电池的成熟技术在全球范围内仅由日本 NGK、美国 GE、意大利 FIAMM 等几家企业掌握,我国储能钠电池的发展还面临以下诸多挑战。(一)储能钠电池技术几乎被国外垄断近年来,中国科学院上海硅酸盐研究所在储能钠电池的相关领域开展了技术革新和示范应用,基本掌握了钠硫电池和钠镍电池的全套技术,形成了具有自主知识产权的储能钠电池完整技术路线,但是总体而言,我国自主知识产权储能钠电池的技术成熟度不高,规模化生产设备需要高代价的定制,尚未形成储能钠电池的成熟产品体系。超威集团引进美国 GE 的成熟技术,进行储能钠电池国产化的尝试也尚未在国内外市场打开局面,根本原因是我国储能钠电池的发展目前仍然只能依赖和引进日本和美国公司的技术,尚不具备独立开发新一代储能钠电池的能力,技术革新的速度无法应变市场的需求。(二)储能钠电池上下游产业链供给不足导致高成本储能钠电池的高温技术瓶颈极大地限制了涉足储能钠电池开发的研究院所和企业的数量,导致储能钠电池在产业链的推动上困难重重。经过测算, 1 GWh 钠 – 氯化镍电池生产线上生产电池的成本约为 1050 元 / 度电,当生产线产能提高至 10 GWh,电池成本可降至 800 元 / 度电以下。然而,目前储能钠电池的生产规模不足以带动上下游产业链的快速发展。NGK、GE 等公司同样面临电池成本偏高的困境。对我国而言,储能钠电池中钠硫电池的含耐腐蚀涂层的集流体外壳等零部件、钠 – 氯化镍电池的关键原材料 T255 镍粉(英国 Inco 公司)还依赖进口,国产化替代方案缺失。储能钠电池的中温运行环境对保温箱等下游供应的要求较高,但我国尚没有类似产品开发。储能钠电池上下游产业链供给不足成为推动储能钠电池技术发展和成本降低的一大障碍。(三)储能钠电池的评估检测标准和评估平台缺失1998 年,美国能源部国家可再生能源实验室就钠盐电池的健康状态、滥用安全特性和回收处理办法出具了说明书式的研究报告。2017 年, FIAMM SoNick 公司根据美国标准 UL 9540A 对 ZEBRA 电池产品进行了安全性测试,从单芯、模组和电池单元架三个层面进行了系统的安全性能评估。2018 年,电气与电子工程师协会(IEEE)出台了编号为 IEEE Std 1679.2—2018,标题为“静态储能应用中钠 -beta 电池的表征和评估指导”的指导性标准。该标准为静态储能应用的用户评估钠 -beta 电池的性能、安全性,以及进行合格评估测试和监管等问题提供了指导。这些研究报告和标准的建立很大程度上促进了美国和欧洲等国家和地区储能钠电池的规范化和市场化。由于我国储能钠电池的产业化处于初级阶段,相关评估检测标准缺失,相应的评估平台和评估机构尚不支持储能钠电池的性能和安全性评估,这也成为储能钠电池产业大步推进的障碍之一。六、对策建议(一)支持储能钠电池相关材料科学的研发和工程化技术攻关从国外的发展经验来看,储能钠电池最初的很多成果出自国家能源部门或能源用户部门牵头组织的应用研发和技术攻关。2020 年 1 月,教育部、国家发展和改革委员会、国家能源局联合制定了《储能技术专业学科发展行动计划(2020—2024 年)》(简称《行动计划》),旨在立足储能产业发展重大需求,统筹整合高等教育资源,加快发展储能技术学科专业,加快培养储能领域“高精尖缺”人才,破解共性和瓶颈技术,增强产业关键核心技术攻关和自主创新能力,以产教融合发展推动储能产业高质量发展。《行动计划》将为储能行业的发展注入强大的动力。提升我国自主知识产权储能钠电池的技术成熟度同样需要重视相关基础材料的研发,更重要的是从战略层面组织有研发基础的优质企业和科研院所合作开展工程化技术攻关,提供相关项目支撑,集中精力解决储能钠电池中存在的“卡脖子”问题和推进储能钠电池在国外经验基础上的升级换代,以期在短期内实现我国储能钠电池技术体系的成熟化发展。(二)推动储能钠电池相关上下游产业的聚集发展产业规模是储能钠电池发展的关键因素,形成一定体量的产业集群对于降低储能钠电池的制造成本,提高储能钠电池的市场竞争力至关重要。在提升储能钠电池的技术成熟度的中后期,储能钠电池相关上下游产业的聚集发展是储能钠电池真正走向应用市场的关键一环。引导社会资本,围绕技术创新链布局产业链,加强技术、资本与产业的融合,通过产业链合作及协同,提高资源利用效率,提升储能钠电池的市场竞争力。大型储能钠电池示范项目的规划和实施是推动相关上下游产业发展的一个契机,有望使我国储能钠电池的发展驶入良性循环的快速通道。(三)建立健全储能钠电池的相关标准以及推动高温钠电池评估平台的建设2018 年以来,国内外频发的起火事故给正在起步的储能产业浇了一盆冷水,也让储能的安全问题成为舆论焦点。有业内专家认为,储能事故并非是一个简单的技术问题,更多是标准的问题。标准是技术发展的总结,也需要政策法规从上而下的引导。国家能源局会同其他主管部门曾多次发文,力推储能标准化工作,要求建立起较为系统的储能标准体系。储能钠电池作为新型的储能技术,相关标准缺失的问题尤为突出,迫切需要建立健全相关检测和评价标准。如果我国以出台储能钠电池的相关行业标准,甚至能够出台发布国家标准,相信能在很大程度上推动储能钠电池的商业化发展。认证机构基于相关标准可以推动高温钠电池评估平台的建设,从而从政策上督促储能钠电池开发市场标准化、规范化,为其大规模应用、顺利与应用市场接轨打下坚实基础。

作者: 胡英瑛 吴相伟 温兆银 侯明 衣宝廉 详情
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松下展示特斯拉4680电池 不跟风磷酸铁锂

因为成本较低,磷酸铁锂电池越来越受到新能源车企的欢迎。10月27日,戴姆勒集团CEO康林松(Ola Kallenius)表示,从2024和2025年开始,集团旗下梅赛德斯-奔驰的入门级车型将采用成本更低的磷酸铁锂电池,具体车型包括EQA和EQB。10月21日,特斯拉宣布将标准续航版本电动车Model 3和Moderl Y中的动力电池切换到磷酸铁锂电池。不过,特斯拉的电池供应商松下却在近日展示其即将推出的4680圆柱电池时表示,该公司没有为电动汽车生产更便宜的磷酸铁锂电池的计划。松下的电池负责人 Kazuo Tadanobu说,松下计划到2022年3月开始在日本试生产4680电池。他称该产品是根据特斯拉的要求量身定制的,并表示松下计划向特斯拉供应该产品,但他拒绝透露其他细节。当被问及松下的电动车电池业务时,松下新总裁兼首席执行官Yuki Kusumi表示,未来数年,电动车电池是该公司战略的核心。虽然韩国和中国都出现了有力的竞争者,但松下仍将致力于改善电池生产技术,保持自身竞争力。去年9月22日,特斯拉在电池日上首次发布了4680圆柱电池。据介绍,该电池高80毫米、直径46毫米,和传统锂电池相比,能量密度提高5倍,续航里程提高16%,且成本降低14%。10月21日,特斯拉在第三季度财报电话会上表示,4680型电池项目继续取得进展,正在生产更多电池组用于测试。到目前为止,测试结果符合预期,2022年初将交付首批配备4680型电池的汽车。据悉,除了今年在日本建立了一条生产4680电池的测试线外,松下还计划在2022年设立一家新能源业务公司——松下能源公司,来建造4680型电池超级工厂和方形电池超级工厂。虽然松下表示“4680 电池方面交易将使公司与特斯拉之间的关系更加牢固”,但特斯拉也在寻找新的供应商,LG能源解决方案和三星SDI都已经完成了4680电池的样品开发。同时,为了提高电池的产量,特斯拉已在加州弗里蒙特工厂建立试生产线,为首批搭载4680型电池的车型供货。而松下之所以无意布局磷酸铁锂电池,有业内人士认为,这或与其希望降低对特斯拉的依赖,进行客户结构调整有关。对于近期苹果公司与宁德时代及比亚迪就苹果公司造车项目中的电池供应谈判陷入僵局,苹果公司已考虑与松下合作的传闻,松下10月25日表示,关于向美国苹果公司正在研究开发的电动汽车供应车载电池一事,“不否认各种可能性”。消息的可能性在于:松下在美国有电池工厂,且特斯拉逐渐将汽车电池供给业务多元化,让松下处于边缘化,曾清空了特斯拉的所有股票。苹果造车于松下来说是个很好的机会。和苹果和合作没有得到证实的同时,松下却迎来了一位新的客户。10月27日消息,松下将从2022年起向美国新兴纯电动汽车企业Canoo供应电池。双方于10月26日达成供货协议,松下将持续数年向Canoo提供特斯拉采用的圆柱形电池。但具体供货量并未公布。据Canoo在美国时间10月25日公布的消息:Canoo将把电池搭载到定于2022年在欧美上市的电动MPV车型“Lifestyle Vehicle”上。

作者: 沈阳蓄电池研究所新闻中心 详情
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SES麻省固能CEO:动力电池的未来,最终将走向锂金属电池

记者 | 程迪10月初,据外媒报道,混合锂金属电池独角兽企业SES麻省固能成功建立了第一条试点生产线,以扩大生产高性能solvent-in-salt电解液。据悉,SES是近两年全球电池产业的投资热点,目前已经获得了多家大型车企和能源巨头的重视,其中不乏通用、现代、起亚、上汽、吉利、天齐锂业等大公司。今年7月,SES更宣布和艾芬豪资本收购公司达成最终合并协议,并将通过SPAC形式,于121月在纽约证券交易所挂牌上市,成为全球第一家上市的锂金属电池公司。SES的混合锂金属电池和一般锂离子电池的最大区别在于负极材料。它可以让车辆续航提升50%,生产成本降低18%,充电速度也有大幅提升。而此次扩产试点生产线,针对的就是混合锂金属电池负极材料中必备的一种特殊的高浓度锂盐中溶剂电解质配方,与锂金属混合后结构稳定,具有低挥发性和自熄性,更能使混合锂金属电池在低温和高功率下,依旧保持着高能量密度和安全性。更重要的是,由于正极和锂离电子电池的材料完全一样,混合锂金属电池完全可以采用现成的产业链体系,只需更改负极材料或形状,即可全面对接相关电动车电池产业链。SES的混合锂金属电池是否代表了动力电池行业的未来?为了更了解混合锂金属电池产业,我们对SES创始人兼CEO胡启朝进行了一次独家专访。麻省高材生的全新汽车电池之路Solid Energy Systems麻省固体能源公司(简称SES)成立于2012年,是一家电动汽车高性能可充电混合锂金属电池开发者及制造商,在材料、电芯、模块、基于人工智能学习的电池安全算法和电池回收再利用方面也都有涉猎。创始人胡启朝在2007年获得了麻省理工学院物理学学士学位,并于2012年获得了哈佛大学应用物理学博士学位,主攻固态电池方面。图片来源:SES麻省固能同年,美国电池行业经历了锂电池生产商A123公司的破产事件。A123的惨败让胡启朝产生了一个新思路:无论对车企、消费者还是电池公司本身,锂离子电池可能都不是最好的选择。在此背景下,胡启朝创立了Solid Energy Systems麻省固体能源公司,也就是如今SES的前身。公司创立后没多久,胡启朝当年入选了当年的《福布斯》杂志的“30位30岁以下精英”。SES创立之初,胡启朝选择做的是做全固态锂金属电池的另一个原因,是因为这是他从大学时代就开始深耕的熟悉领域。从1990年代初开始,全固态锂金属电池的概念就已经出现,比索尼的锂离子电池还要早。当时,全固态锂电池指的就是以金属锂为负极,在工作温度区间内所使用的电极和电解质材料均呈固态,不含任何液态组份的锂电池。早期专业人士认为:与锂离子体系相比,用锂金属做负极的固态电池具有更好的性能,安全性、可回收性以及成本更低。但全固态锂金属电池在材料和工艺加工方面,一直存在着极大的困难与挑战。某种程度上说,全固态锂电池似乎更像是一个梦想——至今,全球尚无一家电池公司能将这一梦想实现。胡启朝也是在试错3年后,决定改做混合锂金属电池,即60%的正极材料和锂离子金属电池完全一样,40%的负极采用锂金属和特殊电解液材料,这也是混合锂金属电池名字的由来。目前,SES是第一家,也是唯一一家公布了第三方测试报告的混合锂金属电池公司,包括能量密度、循环、低温、高温、安全、快充等一系列测试报告。同时,SES也是全球第一家和车企签订A样品合作开发协议的混合锂金属电池公司。目前公司已经在6年内完成了5轮融资。主要投资者包括韩国SK集团、通用汽车、现代汽车、起亚公司、淡马锡、天齐锂业、祥峰投资集团、美国应用材料公司和上汽集团等,累计融资近2.7亿美元(约合人民币17.44亿元)。今年7月,SES对外宣布与著名的艾芬豪资本收购公司正式合并。合并后的SES,股权价值约为36亿美元,同时还获得了4.76亿美元的募资;预计今年11月,SES将在纽约证券交易所以SPAC的方式上市,将累积获得7亿美元左右的资金。合并后的实体公司,将会成为全球少有的几家动力电池上市公司,更是全球第一家上市交易的混合锂金属电池供应商。混合锂金属电池到底厉害在哪里?从材质上看,锂离子电池和锂金属电池的正极材料完全一样(一般汽车的正极要占到电池的60%左右)。最大区别就是双方的负极。锂离子电池的负极主要是石墨和硅,锂金属电池的负极则为锂金属和特殊电解液材料——这也是混合锂金属电池名字的由来。根据胡启朝的描述,相比我们熟悉的锂离子电池,混合锂金属电池拥有三点最突出的优势:第一:技术和资金成本更低。常规锂离子电池的负极材料需要浆料、涂布、滚压、干燥等程序,每一个环节都需要大量的设备与时间投入。而SES的锂金属电池采用滚压的方式,将高纯度锂金属滚压成比较厚的锂箔,再按需要逐步滚压到所需要的厚度。比如,100微米、60微米甚至20微米都可以。整个锂箔的制备过程都是在干燥环境中进行,无需溶剂,所以设备和环境的要求都会比前者简单不少。综合下来,锂金属电池的成本,比锂离子电池的成本低18%左右。第二:能量密度更高。通过滚压制得的混合锂金属电池,第三方检测报告显示,在满足电池寿命和安全要求的前提下,能量密度一般可达到400Wh/kg,而一般锂离子电池的能量密度在260Wh/kg或280Wh/kg左右,续航里程是常规锂离子电池的50%以上。比如今年1月通用推出的悍马电动汽车,用传统锂离子电池充一次电后能跑300英里,用混合锂金属电池的话,同样情况下,充一次电可以跑500英里,续航里能程得到大幅度提升。第三:安全性更高。SES混合锂金属电池成功地从材料、制造工艺、软件监控等多个层面提升了电池的安全性。SES专有的获专利电解液有助于解决几十年来一直困扰着锂金属的采用和进展的问题。随着反复的充电和放电循环,锂金属阳极会形成针状苔藓结构的“枝晶”,它可以穿透隔膜并让电池短路。SES研究出的电解液不仅大大减缓了“枝晶”的生长,而且还将其形态从尖锐的树枝状结构变为“密集沉积(Dense Deposition)”,这大大延长电池的生命周期,并提升了安全性。除了电解质之外,SES混合锂金属电池单元使用专有的阳极涂层,等于多提供一层保护,并能在充电时使锂镀层更密。混合锂金属电池的正极材料、电解液和锂离子电池都完全一样,所以不仅可以采用现在电池企业所采取的措施,从电芯、模组等方面做散热,还能在正极材料的混合电解液里加入添加剂,来缓解冬季低温续航方面的问题。软件层面,SES采用先进的人工智能驱动的算法,可以准确地监测电池单元的健康状况,并更早地发现任何即将出现的与"枝晶"有关的或其他的安全问题。除了通过选择更合适的材料提高电池安全,胡启朝表示:“通过AI软件监控,我们可以对电池从生产线、质量管理到上车,24小时不停地进行参数监测,从而精确了解电池健康状况,在安全事故发生之前提前预测。”另据界面新闻记者了解,由于混合锂金属电池的正极材料和锂离子电池完全一样,某种程度上,这两种电池的生产工艺和隔膜原材料也是相同的,甚至混合锂金属电池的工艺从极片、电池组装以及注液,再到生产设备,其实完全是从锂离子电池行业脱胎而来。因此双方的产业链可以进行对接。再加上SES锂金属电池采用的滚压制备方式,使得其形状也可做到和适用于高端汽车的高镍电池、以及针对大众型汽车的无镍磷酸铁锂等电池完全匹配——即正极材料和形状,完全可以根据不同市场来改变。“一个更安全、续航里程更高的电池,等于一个更便宜的电池。SES结合了传统锂离子电池和全固态锂金属电池的优点,开发出的混合锂金属电池,既保留了全固态金属电池的高能量密度优势,也拥有锂离子电池生产工艺和可制造性的一些优点。”胡启朝解释。不过,从寿命周期来看,混合锂金属电池和锂离子电池相差无几,都在50万公里以上。当然,一般当下车企给到的明确保证是在16万公里左右,实际情况是远高于此。此外,SES也有自己的难点与痛点,就是负极材料的研发。毕竟目前全球极少有企业可以批量生产又宽又薄的锂金属材料,因此某种程度上,这种先进正是也代表着混合锂金属电池走向全面难以产业化道路上的难点之一。所以,这也将是SES的目前以及未来的主要攻克方向。产品已进入验证阶段,但量产仍尚需时日“综合来说,混合锂金属电池具备了更高密度、成本更低、重量更轻、安全性更高、充电速度更快、智能化水平更高等六大优势。不少业内专家认为,以硅为负极主要材料之一的锂离子电池是目前到2025年的主流。以锂金属和特殊电解液材料的混合锂金属电池则是要到从2025年开始逐渐上升。”胡启朝告诉界面新闻记者。换言之,混合锂金属电池或将是汽车和动力电池行业的共识。而且,目前SES的混合锂金属电池已经不止于实验室阶段,开始和部分车企进行产品验证。所谓产品验证,其实车企专门针对动力电池研发方面提出的一项极为漫长的验证过程。一般包含了工程样品、A样品、B样品和C样品四个阶段共10年的漫长周期。通常,5年左右的时间用于工程样品研发;之后3年为A样品开发生产,然后是1年B样品和1年C样品的开发生产。据了解,SES在去年已经完成了工程样品第一阶段。并在今年3月和通用汽车达成联合开发协议,在波士顿为后者开发A样品电池;5月又和现代汽车与起亚签署联合开发协议,为现代开发A样品电池。预计明年将进行A样品的优化,2023年和2024年分别研发出B样品和C样品,2025年正式装车上路。这一点上,SES的确走在了所有锂金属电池开发商的最前面。据悉,SES的A样品要做到1GWh产能,B样品和C样品也是7到10GWh产能。一般而言,量产上车需要做到10GWh就可以量产上车。图片来源:SES麻省固能SES和通用汽车已经在波士顿拥有了一条1GWh产能的A样品生产线,而位于嘉定的上海分部未来也将完成也将在年底扩大面积,开始整个A样品的开发。据胡启朝介绍,嘉定基地占地面积6000平方米,主要做6Ah和9Ah的小电芯产品开发中心。马上,这个基地就会扩展到3万平方米左右,成为SES全球最重要的基地。未来,将涵盖电解液、锂金属负极、正极、电芯、软件、模组、安全测试等各方面能力。预计今年年底,嘉定基地就将开始生产1GWh产能的混合锂金属电池,并成为SES业务布局的核心,从基础研发、产品开发到生产工艺,乃至打通整个产业链。胡启朝表示:对于锂离子电池来说,1GWh的产量并不算大,但对于混合锂金属电池来说,这将会是全球最大的生产中心。而为了控制产品质量和降低成本,SES未来还会自己生产电芯、材料、模组,甚至电池管理系统、电池安全软件等配套产品。预计未来上海生产和研发中心的产能还会再进一步扩大,为下一步B和C样品的10GWh产能做准备。眼下,这家新兴电池公司在为自己打开了一扇新世界大门的同时,也为全球车企和相关动力电池行业,打开了一扇新世界的大门。对此,胡启朝称:“混合锂金属电池替代锂离子电池并不会是一个一蹴而就非常迅速的过程,而是逐渐替代。”在他看来,动力电池从最初的铅酸电池到后来的镍电池,再到当前市场应用最广泛的锂电子电池,未来会最终走向锂金属电池。目前,SES在全球约有110位职员,研发人员的比例高达90%,其中很多研发人员都曾在大多来自CATL、LG、SK等著名的锂离子企业工作过。截止今年9月,SES已在波士顿、上海、新加坡和首尔这四座城市设有重要部门。其中,新加坡为控投总部;波士顿的设施分部主要负责与通用的合作,主攻化学、材料和算法研发,以及一家试验工厂;而位于上海的嘉定工厂分部,承担的责任与任务最为复杂——既有制造工艺开发,以及电池、模组和BMS研发部门,又有大型试验工厂。

作者: 沈阳蓄电池研究所新闻中心 详情
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特斯拉要全面使用磷酸铁锂电池,相关概念股大涨!

近日,特斯拉发布了第三季度财报。数据显示,特斯拉在今年第三季度创造了多项纪录,获得有史以来最好的净利润、营业利润和毛利率。数据显示,今年第三季度,特斯拉实现营收137.6亿美元,同比增长57%;实现GAAP营业利润20亿美元,营业利润率为14.6%,连续9个季度盈利;GAAP净利润为16.18亿美元,同比增长389%,公司汽车业务毛利率达30.5%。值得关注的是,特斯拉在三季度投资者交流会上表示,特斯拉正在全球范围内将所有标准续航版电动车都改用磷酸铁锂 (LFP) 电池。受此消息影响,A股磷酸铁锂概念板块于10月21日出现大幅飙涨。其中,富临精工(300432.SZ)大涨8.64%,德方纳米(300769.SZ)盘中大涨逾5%,股价创下历史新高。截至10月22日收盘,富临精工报46.36元/股,上涨3.23%;德方纳米股价报540.42元/股,下滑0.66%。此外,磷化工板块也于近两日持续走强。截至10月22日收盘,清水源(300437.SZ)涨停,股价报收于28.4元/股;六国化工(600470.SH)涨停;安纳达(002136.SZ)、司尔特(002538.SZ)盘中涨停, 云天化(600096.SH)涨逾3%。值得注意的是,清水源近日连续走高,10月18日至今的五个交易日股价已累计大涨近90%。特斯拉带动相关概念股大涨对于特斯拉扩大磷酸铁锂电池使用范围,西部证券分析表示,随着磷酸铁锂重回锂电正极材料主流,预期至2025年,其国内需求将超100万吨,且远期市场仍将维持较高速度的增长。在此背景下,需求将延“磷酸铁锂-磷酸铁-高纯磷酸和工业一铵-黄磷及磷肥-磷矿石”产业链向上游传导。“就中国市场而言,预期到2025年磷酸铁锂总需求量预计将突破200万吨,复合增长率将超50%,是未来发展速度最快的产业之一。如果全球的新能源汽车电池都开始转向磷酸铁锂,那么磷酸铁锂的市场空间会更大,发展速度会更快。” 东亚前海证券方面预测,新能源汽车动力电池的磷酸铁锂需求预计超过127万吨,储能电池需求预计超过73万吨。值得一提的是,目前全球最大两家磷酸铁锂电池生产商是宁德时代和比亚迪,特斯拉已经在向宁德时代采购磷酸铁锂电池。从2020年7月开始,宁德时代就向特斯拉上海工厂供应磷酸铁锂电池。在今年6月底,特斯拉再次与宁德时代签订协议。协议约定,宁德时代将在2022年1月至2025年12月期间向特斯拉供应锂离子动力电池产品,具体的采购情况特斯拉以订单方式确定,最终销售金额须以特斯拉发出的采购订单实际结算为准。有迹象显示,宁德时代也在加速对磷酸铁锂材料的布局。继320亿元的邦普一体化电池项目落户宜昌后,10月18日,宁德时代又投资了一家磷酸铁锂材料公司。而在几年前,宁德时代还入股了国内磷酸铁锂材料头部企业之一的湖南裕能,后者创业板IPO已于近日获深交所受理。同时,宁德时代还与另外一家磷酸铁锂材料头部企业德方纳米有深度合作,双方今年1月约定在四川省宜宾市江安县投建“年产8万吨磷酸铁锂项目”,项目总投资约18亿元。此外,据财联社报道称,在宾夕州兰卡斯特 ( Lancaster ) 建有磷酸铁锂电池工厂的比亚迪,也有望获得特斯拉电池订单。据悉,上述比亚迪工厂距离特斯拉弗里蒙特工厂仅500英里左右,目前产能仅1GW,但可通过对产线的升级改造满足特斯拉前期对磷酸铁锂电池的需求。报道中援引知情人士的消息称,“比亚迪已获得了特斯拉10GWh的订单”。对于这一说法,比亚迪方面表示“不予置评”。装机量连续超越三元锂电池今年以来,凭成本低廉、安全性强等优势,磷酸铁锂电池成功对三元锂电池实现“逆袭 ”,获得了越来越多车企的青睐。在今年9月30日工信部最新发布《新能源汽车推广应用推荐车型目录》(2021年第9批)中,共有52款新能源乘用车入选,其中搭载磷酸铁锂电池车型25款,占比48%。实际上,自今年5月份开始,磷酸铁锂电池首先在产量上重新反超三元锂电池,随后又于7月份在装车量上对其实现超越。中国汽车动力电池产业创新联盟发布的数据显示,今年7~9 月,磷酸铁锂电池在动力电池市场所占比重也逐月提升,占比分别为53.8%、56.9%、58.3%;到9月份,磷酸铁锂电池的产量已经是三元锂电池的1.4倍,装机量为1.6倍。有观点认为,两者差距的不断拉大,呈现出磷酸铁锂电池对三元锂电池加速替代的趋势。“磷酸铁锂的循环性能更好,充放电循环次数可以达到3500次~4000次左右,而三元锂的充放电循环次数为1500次~2000次左右。使用寿命长,加之磷酸铁锂能量密度不断提升之后,优势更为明显。同时,在补贴退坡和三元锂电池原材料钴、锂、镍大涨的情况下,车企改用磷酸铁锂以谋降本增效,也是磷酸铁锂电池获得更多机会的主要原因。”隆众资讯钴行业分析师赵超表示。据华安证券测算,磷酸铁锂的使用成本约为0.08元/Wh,相比三元正极材料可以节省0.15元/Wh~0.21元/Wh,对应降低成本65%~72%。在现行补贴政策下,带电量55kWh、续航405公里的三元电池替换为磷酸铁锂电池,成本可下降0.46万元~0.56万元。“目前磷酸铁锂被广泛使用的主要原因在于,磷酸铁锂的价格相对三元锂来说能够低20%左右。另外,从长期来看,大家不希望三元锂电池的增长把镍的需求拉得太高,而前期也是担心钴的供应会不足。磷酸铁锂与三元锂均衡发展对资源压力会相对小一点。”全国乘用车市场信息联席会秘书长崔东树表示。

作者: 董天意 详情
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锂电池安全问题及失效分析

锂电池容易发生起火爆炸等事故,本质上是由于其有机材料体系造成的。锂电池在使用或储存过程中会出现一定概率的失效, 包括容量衰减(跳水)、循环寿命短、内阻增大、电压异常、析锂、产气、漏液、短路、变形、热失控等, 严重降低了锂电池的使用性能、一致性、可靠性、安全性。对锂电池失效进行准确诊断并探究其失效机理是锂电池失效分析的主要任务, 对锂电池性能提升和技术发展也具有深远意义。一、锂电池安全问题表现二、锂电池失效产生途径途径1:途径1主要与锂离子电池的内部短路有关。锂离子电池的内部短路是其安全问题的最重要诱因,大部分的安全问题都是由于内部短路引起的。内部短路是电池内的正负极短路,一般是由生产过程中混入的金属杂质、电极金属箔在剪切时造成的毛刺、使用过程中形成锂枝晶以及受到挤压等意外机械应力引起。内部短路时会产生大量的热,从而引起安全问题,内部短路对电池电压和温度的影响见图1。图1 内部短路对电池电压和温度的影响在大多数情况下,锂离子电池内部短路引起的安全问题表现为着火和爆炸危险,而普通的过热危险一般被认为是可以接受的危险。途径2:途径2主要与电路故障有关,如图2所示。为了对锂离子进行充放电管理及安全保护,在使用电池的宿主设备或适配器中需要设计充放电管理电路,在部分设备内还有放电的负载电路。图2 可能会出现故障的电路为了对锂离子电池进行保护,在封装过程中需要在电池组中加入保护电路板。这些电池组内部的或外部的电路都有可能出现故障,进而引起电池的过压充电、过度充电、过度放电、外部短路、过载等电应力条件,这些条件也可能会导致过热、着火、爆炸等危险。在电应力条件中,过压充电和过度充电会产生剧烈的副反应,产生大量的热,从而导致热失控;过度放电会导致电池的电压低于厂商规定的放电截止电压,此时的副反应主要为电解液的分解,产生大量的气体导致外壳鼓胀破裂引发漏液;外部短路和过载则会使放电电流变大,从而使电池内部温度或者外部导体的温度剧增,引发热失控。途径3:途径3主要与误用、滥用有关。误用和滥用包括在高温下使用或存储(如在车内)、用户使用了错误的充电器(过压充电)、极性反接充电、在携带过程中电池端子被外部的导体(金属、溶液等)短路。这些误用和滥用都可能造成电池发出大量的热,甚至造成热失控。途径4:途径4主要与电池外壳破裂有关。引起外壳破裂的诱因包括内部和外部应力。内部应力是指过度放电等副反应造成的内外压差;外部应力是指运输、使用过程中的正常的或者意外的机械应力,如振动、加速度冲击、跌落等造成的外壳破裂。外壳破裂会使内部的电解液泄漏,从而引起危险。途径5:途径5主要与一致性有关。在由多节电池(电芯)通过串联、并联以及串并混联构成的电池组中,电池之间的内阻、开路电压、容量的一致性会造成对电池组内部的某一电池或电池并联块的过压充电、欠压放电等,从而引起安全问题。三、锂电池失效分析介绍国家标准GB3187-82中定义:“失效(故障)——产品丧失规定的功能。对可修复产品,通常也称为故障。”锂电池的失效是指由某些特定的本质原因导致电池性能衰减或使用性能异常。锂电池的失效主要分为两类:一类为性能失效, 另一类为安全性失效,如图3所示。性能失效指的是锂电池的性能达不到使用要求和相关指标,主要有容量衰减或跳水、循环寿命短、倍率性能差、一致性差、易自放电、高低温性能衰减等;安全性失效指的是锂电池由于使用不当或者滥用,出现的具有一定安全风险的失效,主要有热失控、胀气、漏液、析锂、短路、膨胀形变等。图3 常见锂电池失效的分类失效分析的诞生伴随失效现象,以判定和预防其发生为目的。失效分析是一种判断产品失效模式、分析失效原因、预测或预防失效现象的技术活动和管理活动。人们对锂电池的使用性能指标提出了更高的要求,尤其凸显在体积/质量能量密度、功率密度、循环寿命、成本、安全性能等方面。例如在《中国制造2025》中提到了能量型锂电池比能量大于300W·h/kg,功率型锂电池比功率大于4000 W/kg的发展目标。图4为1990-2025年锂离子电池能量密度发展路线图。为了满足市场的需求,提高电池的性能与安全性,缩短新体系研发周期,开展锂电池失效分析是十分必要的。图4 1990—2025年锂离子电池能量密度发展路线虽然产品的诞生伴随着失效,但失效为人们所认知是从失效现象开始, 所以失效分析工作要始于失效现象。首先应从锂电池失效现象着手,锂电池失效现象是锂电池失效分析的第一步, 是最直接最重要的失效信息之一。若没有充分掌握和分析锂电池失效的信息,则不能准确获取锂电池失效的根本原因,因而不仅不能提供建设性建议或可靠性评估。失效现象分为显性和隐性两部分。显性指的是直接可观测的表现和特征,例如失效现场出现并可通过粗视分析观察到的表面结构破碎和形变,包括起火燃烧、发热、鼓胀(产气)、变形、漏液、封装材料破损及畸变、封装材料毛刺、虚焊或漏焊、塑料材质熔化变形等。隐性指的是不能直接观测而需要通过拆解、分析后得到的或者是模拟实验中所展现的表现和特征,例如通过实验室拆解检测到的微观失效,以及模拟电池中电学信息等。锂电池失效过程中常有的隐性失效现象有正负极内短路、析锂、极片掉粉、隔膜老化、隔膜阻塞、隔膜刺穿、电解液干涸、电解液变性失效、负极溶解、过渡金属析出(含析铜)、极片毛刺、卷绕(或叠片)异常、容量跳水、电压异常、电阻过高、循环寿命异常、高/低温性能异常等。失效现象的范围常常会与失效模式的范围有交集,失效现象更偏向对现象的直接描述,属于对失效过程的信息收集和描述;失效模式一般理解为失效的性质和类型,是对失效的归类和划分。锂电池失效现象是电池失效表现的大集群,对其进行定义和分类是十分必要的。失效是失效原因的最终表现,也是失效原因在一定时间内叠加失效现象的结果。失效分析的重要任务之一是对失效原因进行准确判定。常见的锂电池失效原因有活性物质的结构变化、活性物质相变、活性颗粒出现裂纹或破碎、过渡金属溶出、体积膨胀、固体电解质界面(SEI)过度生长、SEI分解、锂枝晶生长、电解液分解 或失效、电解液不足、电解液添加剂的失配、集流体腐蚀或溶解、导电剂失效、黏结剂失效、隔膜老化失效、隔膜孔隙阻塞、极片出现偏析、材料团聚、电芯设计异常、电芯分容老化过程异常等。图5展示的是锂电池内部失效情况。从锂电池失效原因研究内容可将其分为外因和内因。其中外因包括撞击、针刺、腐蚀、高温燃烧、人为破坏等外部因素;而内因主要指的是失效的物理、化学变化本质, 研究尺度可以追溯到原子、分子尺度, 研究失效过程的热力学、动力学变化. 锂电池的失效归根结底是材料的失效。材料的失效主要指的是材料结构、性质、形貌等发生异常和材料间失配。例如,正极材料因局部Li+脱嵌速率不一致导致材料所受应力不均而产生的颗粒破碎,硅负极材料因充放电过程中发生体积膨胀收缩而出现的破碎粉化,电解液受到湿度温度的影响发生分解或变质,石墨负极与电解液中添加剂的碳酸丙烯酯(PC)发生的溶剂共嵌入问题, N/P(负极片容量与正极片容量的比值)过小导致的析锂。图5 锂电池内部失效情况锂电池的失效原因并不总能与失效一一对应, 存在“一对多”、“多对一”和“多对多” 的关系。某一失效原因可能在时间跨度中有不同的表现,例如充放电制度异常导致大电流充放电,最开始可能会表现出极化较大,中间阶段会因锂枝晶的析出导致内短路,随后伴随着锂枝晶的分解与再生,最后可能会出现热失控。某一失效原因可能会发生多种截然不同的失效,例如局部过渡金属的析出,可能会产生气体,形成鼓胀的失效表现,但也可能因为内短路形成局部发热,进而导致隔膜收缩,引起大面积的热失控。某一个失效现象可能对应着多种失效原因,例如容量衰减究其失效机理有材料结构变化、微结构破坏、材料间接触失效、电解液失效或分解、导电添加剂失效等。失效分析分为两个方向:其一为基于锂电池失效的诊断分析,是以失效为出发点,追溯到电池材料的失效机理,以达到分析失效原因的目的;其二为基于累积失效原因数据库的机理探索分析,是以设计材料的失效点为出发点,探究锂电池失效发生过程的各类影响因素,以达到预防为主的目的。锂电池的诊断分析以锂电池失效为出发点,根据电池的失效表现,对电池进行电池外观检测、电池无损检测、电池有损检测以及综合分析。面对实际案例时,需要根据不同情况对分析流程及测试项目进行调整和优化。以容量衰减电池失效分析为例(如图6所示),结合失效表现和使用条件细化失效行为,并提供相应分析侧重点。如正常循环衰减,则后期分析注重于材料结构变化、SEI过度生长以及析锂等因素。图6 某款电池容量衰减失效分析流程通过对失效电池外观检查, 确定是否存在外部结构变化或电解液外漏等因素。无损检测主要包括微米X射线断面扫描(XCT)和全电池电化学测试。通过无损检测分析的结论,进一步确认内部结构变化情况、量化失效行为、选择测试项目、调整分析流程。例如,对比图7中某款 LiFePO4/C失效电池和新鲜电池全电池充放电曲线分析显示放电容量衰减21%,进一步对充放电曲线处理得到容量增量(IC)曲线,根据曲线峰位整体向高电位移动,表明存在材料结构变化引起锂脱嵌难度增加,结合3.27V和3.32 V处更为明显的峰强变化,表明该电池容量衰减主要是由于活性锂源损失及活性材料结构破坏,并且进一步佐证了分析侧重点。图7 某款LiFePO4/C失效电池和新鲜电池全电池(a)充放电曲线及(b)对应放电曲线的IC曲线所谓电池有损检测是指通过电池拆解、极片观察及材料测试分析来确定正负极片、活性材料以及隔膜等因素在电池失效中的作用。其中材料的测试分析则以物化性能和电化学性能测试为主。例如对上述LiFePO4/C失效电池极片进行扫描电子显微镜(SEM)形貌测试结果显示正极材料有明显的结构破坏,X射线衍射(XRD)结构谱图中18.5?和31?峰强的增加揭示了Fex(POy)相的增加,即正极材料存在相变现象(如图8所示)。对极片表面进行X射线光电子能谱(XPS)分析,以及对极片进行半电池测试则能够定性和定量分析极片表面SEI和容量损失。最后总结得出定性或定量的失效原因,并提供分析报告。锂电池失效机理研究是通过大量基础科研,以及构建合理模型和验证实验, 准确模拟分析电池内部复杂的物理化学反应过程, 找出电池失效的本质原因,构建失效原因数据库。电池机理分析可能会从不同角度去开展,包括设计材料角度和设计失效角度。图8 某款LiFePO4/C失效电池和新鲜电池极片 (a) SEM 照片; (b)XRD谱图以材料体系为出发点,设计不同的变量分别对电池或材料的失效机理进行研究(如图9所示)。其中,以材料体系为出发点的机理分析工作常以基础科研的形式进行,此类工作在科研院校中居多。需明确实验目的,如“对比研究某材料体系常温下高倍率充放电的容量衰减机理”,“研究某款电解液添加剂对电池高温循环性能的影响”等。设计实验流程,并通过制备电池,模拟电池使用环境或使用条件以达到预期失效的目的。对失效电池进行逆向解析, 结合材料体系分析电池失效机理。图9 锂电池失效机理研究流程示意图除了失效分析流程的设计外,锂电池失效分析主要步骤还包括失效信息采集、失效机理研究、测试分析手段等内容。采集锂电池的失效信息,包括直接失效现象、使用环境、使用条件等内容。虽然失效分析工作内容主要包括明确分析对象、收集失效信息、确定失效模式、研究失效机理、判定失效原因、提出预防措施,但失效分析不应局限于以找出产品失效的本质原因为目的,应引发到对技术管理方法、标准化规范、失效现象深层次机理的思考, 以及融入大数据和仿真模拟等新思维。失效分析的最终目的是确定准确的失效模式,定量分析准确的失效原因,尤其是理清失效机理,积累失效分析数据库,完成“失效现象-失效模式-失效原因-改进措施-模拟实验”完整数据链以及“原始材料-制备工艺-使用环境-梯度利用及拆解回收”全寿命周期的失效研究。现阶段,正在构建“锂电池失效数据库”。未来,锂电池失效分析将实现电子化和智能化,通过采集失效现象,结合“锂电池失效数据库”,给出失效机理初步预测以及合理、高效的测试分析流程、在此过程中,还需要解决很多困难,例如: 优化失效分析流程、提供测试分析技术、攻克测试技术难点、规范测试分析方法等。四、失效分析难点锂电池失效原因与失效之间并不是简单的“一对一”模式,还有“一对多”、“多对一”、“多对多”等多维关系。此外,引起锂电池失效的原因分为内因和外因,可以是来自组成材料本身的结构、物化性质的变化,也可以是设计制造、使用环境、时间跨度等复杂因素。因此,锂电池的失效原因和失效之间的构效关系十分复杂(如图10所示)。例如,正/负极材料的结构变化或破坏,都会产生容量上的衰减、倍率性能下降、内阻增大等问题;隔膜老化、刺穿是电池内短路的重要因素;电池的设计,极片涂布、滚压、卷绕等过程都直接与电池容量及倍率性能的发挥密切相关;高温环境会导致电池电解液发生分解变质,也会引起容量衰减、内阻增大、产气等问题。故想用单一失效原因去描述并剖析失效是不正确的,且需要用定量角度剖析多种失效原因在某一阶段的影响权重和主次关系,才能对失效电池进行准确的评估,并针对性地提出合理的措施。图10 锂电池使用条件、失效原因及失效现象的关系图锂电池本身就是属于现代控制论中的灰箱(灰色系统),即对其内部物理、化学变化机理及热力学与动力学过程不是完全了解。众所周知,锂电池主要由正极材料、负极材料、隔膜、电解质、溶剂、导电剂、黏结剂、集流体、极耳等组成。电池制备流程包含前段、中段、末段三部分,包括打浆、涂布、烘干、辊压、分条、配片、模切或卷绕、入壳、极耳焊接、注液、封口焊接、化成分容等步骤。图11展示了锂电池常见的制备过程, 图中描述了各个生产过程中存在的影响电池使用性能的因素。但各个关键材料之间并不是独立存在的,各个制备步骤也不是独立存在,它们之间是相互关联、相互影响的,且会因应用领域的改变而发生较大变化。图12表示电池材料性质与性能的关系,目前常见的锂电池正极材料有LiCoO2,LiFePO4,LiMn2O4,Li2MnO3-LiMO2,LiNixCoyAl1?x?yO2, LiNixCoyMn1?x?yO2, LiNi0.5Mn1.5O4等。常见的锂电池负极材料有天然石墨、人造石墨、中间相碳微球MCMB、Li4Ti5O12、软碳、硬碳、硅负极、SiOx-C负极、金属锂、复合金属锂等。根据不同的使用环境和要求, 选择不同的正负极体系,配以适当的电解液体系及其他辅助材料,在合适的制备流程下,做成满足使用需求的各类形式锂电池。合格的锂电池会应用到各行各业,尤其在电动汽车、船舶、航天航空等领域。从材料制备到产品使用的过程充满着可变性、复杂性,因此,对锂电池失效分析不能仅局限于电池关键材料的失效,同时要对材料结构、合成加工、性能设计、制造流程、服役情况、失效表现等进行综合考虑。图11 锂电池常见制备过程设计的影响因素图12 电池材料性质和电池性能的关系除了上述难点之外,还存在一些技术难点,包括对锂电池材料失效的分析需要使用到样品收集/筛选技术、样品转移技术、合理准确的表征分析技术。在对样品进行收集和筛选之前,对不同规格的电芯进行合理有效的拆解十分重要。现阶段多为手动拆解或半自动化拆解,拆解过程中存在短路、破坏关键材料等隐患。电池内产气和电解液的收集仍然存在一定困难,尤其在产气收集过程中容易引入杂质气体,剩余电解液量过少导致不易收集以及测试困难。绝大多数锂电池材料对空气敏感,尤其对空气中的水分和氧分。这也对样品的转移技术提出了一些要求。图13 常见测试分析设备的样品转移盒中国科学院物理研究所失效分析团队多年来从事相关研究工作,努力发展的全自动电池拆解仪器目前处于试用阶段,发展了针对不同型号电池的气体收集装置,以及发展了常规测试设备的气氛保护壳或样品转移盒(如图13所示)以实现样品转移和测试过程中的惰性气氛保护。图14展示了锂电池内部各类失效常规的表征分析技术,分别从电极和材料两个角度讲解了电极表面覆盖膜、颗粒表面覆盖膜、材料孔隙堵塞、材料接触失效、颗粒破碎、过渡金属溶出与迁移等失效的表征技术。而在更为微观的原子层面的材料失效表征,以及三维成像表征方面仍然存在不足。因此,一些原位实验技术、同步辐射技术、中子衍射技术、重构成像技术、纳米CT、球差电镜等也被引入到锂电池失效分析中, 揭示了更深层次的失效机理。但失效分析并不是以高端表征分析手段为噱头,而是根据失效问题进行严格、完备的逻辑分析后, 制定合适的分析流程,采用必要的表征分析手段。图14 常见电池内部失效点的表征分析技术五、规范测试分析方法不同的分析小组采用同样的测试分析技术,实验结果会有一定的差异,即使是同一分析小组在后期重复性实验中,得到的实验结果也会存在差异。失效分析最终目的是提出关键性解决措施,实验结果的差异会让解决措施差之毫厘谬以千里。这些问题并不局限在锂电池失效分析中,而广泛存在于机械工程、汽车工程、航空工程等其他领域的失效分析中。因此,标准化分析流程成为了必然的趋势。除了常规的材料物化分析技术之外,材料预处理、转移环境以及数据分析的规范化, 对准确分析材料、认清失效机理都是必要的。例如,测试样品的预处理会影响检测结果准确性,样品的气氛保护、电解液/气体的收集环境、电极材料混合物的分离均与测试结果和分析结论息息相关。现阶段,不同厂家的材料体系、电池型号、制备方法和流程都存在一定的差异,其电化学性能、物化性能及安全性能都受到直接影响,这给失效分析带来了更多的变量和不确定性。现行的锂离子电池测试标准多针对电池单体或电池包等产品的安全性及电性能的测试,如IEC 61960, JIS-C-8711主要侧重于锂离子电池的电性能测试;IEC62133, UL2054, UL1642 和JISC-8714等标准主要侧重于电池产品的安全性能的测试标准。国内现行多款测试分析标准,多数以材料为出发点,涉及材料性能和含量的测定方法,如表1所列。此外,针对电池组和电池包的 GB/T 31467《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统》,以及针对单体电池制定的GB/T 18287《移动电话用锂离子蓄电池及蓄电池组总规范》包含了部分安全检测和性能测试项目。表1 国内现行锂电池相关标准锂电池的机理分析主要在高校和研究所开展,其从基础科学的角度,对锂电池失效问题进行分析研究,在测试分析技术方面有着丰富的经验。大量的先进测试表征技术应用到锂电池的测试分析中,如中子衍射、纳米CT、球差电镜以及原位检测技术等,这为更加精准地分析材料层面的失效机理提供了支持。如图14所示,Xu等采用原位透射X射线成像技术深层次地研究了软包电池中LiCoO2材料的形貌结构失效与化学元素分布之间的变化关系以及相关的失效机理;Finegan等采用原位高频X射线断层扫描仪结合热成像技术,“原位”可视化地研究了两款商业电池在不同条件引起的热失控过程中内部结构和热动力学的变化,为研究和预测热量生成和消散的关键因素提供了技术支持;中国科学院物理研究所Gong等在球差透射电子显微镜的基础上,发展了原位技术,从纳米层级实时观测和分析电池材料脱嵌锂过程,对电池材料的失效机理研究提供了重要的技术保障。电池企业及材料企业各自开展锂离子电池失效分析的研究,但多偏重于电池制造工艺和材料的研发制备,以提高电池性能、降低电池成本为直接目标,多采用大量正向验证实验,并累积了丰富的经验和方法,但在逆向解析和精准分析方面存在经验和技术仍有欠缺的问题。出于效率和效益的角度考虑,相关企业更希望在现有常规测试技术的基础上发展具有高效性、准确性和普适性的失效分析方法,这对设计测试分析流程提出了更高的要求。(来源:锂电池失效分析与研究进展 作者:王其钰 、李泓等 储能科学与技术)

作者: 王其钰 李泓等 详情
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铅酸蓄电池采用哪种方式充电

铅酸蓄电池常见的充电方式有恒流充电、恒压充电、浮充电、过充电等几种。充电时一般分为两个阶段进行;第一个阶段看铅酸蓄电池容量设定,容量大一些的充电电流可以选择大一点的,例如60~100Ah蓄电池可以选择充电电流为夏季一般用10A充电电流;其他季节用15A充电电流,充电6~10h左右。当铅酸蓄电池电压升到最大值(即6V蓄电池升至7.5V,12V蓄电池升至15V,24V蓄电池升至为30V)时,第一阶段充电结束。第二阶段以第一阶段充电电流的1/2继续充电3~5h,使蓄电池升至(6V升至7.8V,12V电压升至15.5V,24V电压升至为30V)即可。当蓄电池充足电时,蓄电池电压上升至额定值,电解液密度不再变化,极板周围有剧烈的气泡冒出。蓄电池充电注意事项如下a.严格按规范要求操作。b.当电解液温度超过40℃时,应降低充电电流;当温度上升至50℃时应停止充电,并采取人工冷却。c.充电时一定要将加液盖打开,充电后要过一段时间再盖盖,以剩于气体从蓄电池中逸出。d.充电电路中各接头要接牢。正确放电。当蓄电池充足电时,即可放电。正确掌握放电深度是保证蓄电池良好工作状态、延长使用寿命的关键。因此,在放电过程中,应定时检查放电电压、电流,电解液密度、液温等数据,分析和确定放电深度,并适时充电。蓄电池的放电容量随着放电电流的增大而急剧减少。若在10h放电率时蓄电池的容量为100%,则在3h放电率时蓄电池的容量减少为75%。因此,不同用途的蓄电池使用不同的放电率(放电电流)。当蓄电池整体电压降至2.1V,电解液密度降至1.18g/cm时,应停止放电,以防蓄电池深度放电造成损坏。再者,当发现蓄电池出现以下情况时,应对蓄电池进行过充电,以使其恢复正常使用:a.24V蓄电池放电至电压为21V以下;b.放电终了后停放1~2昼夜未及时充电;c.电解液混有杂质;d.极板硫化。过充电的方法是,正常充电终了后,改用10h放电率的一半电流继续充电,在电压和电解液密度均为最大值时,每小时观察一次电压和电解液密度。若连续观察4次均无变化,而极板周围冒气泡剧烈,即可停止过充电。在正常情况下,铅酸蓄电池的维护、保存比镉镍蓄电池简单得多,铅酸蓄电池的使用寿命为8~10年,若使用维护不当,其寿命大打折扣。铅酸蓄电池的正常参数为:电解液的密度为1.285g /cm 3(20℃),单个单格电压为2.1V。使用和维护铅酸蓄电池充要注意以下事项①接线应正确,连接要牢靠。为了防止扳手万一搭铁而造成蓄电池损坏,安装时应先接负极,再接两蓄电池间的连接线,最后接搭铁线。拆下蓄电池时,则按相反顺序进行。②每周检查一次蓄电池各参数。电解液液面要始终高于极板10~15mm。发现电解液液面下降,要及时补充蒸馏水,切勿使被板露出液面,否则将损坏极板。电解液不够时,只能加蒸馏水,严禁使用河水、井水、自来水,严禁加浓硫酸,否则会因电解液密度过大而损坏蓄电池。③要根据地区和气温变化,及时调整电解液密度。在气温较高的地区采用密度较小的电解液;寒冷地区则电解液密度宜大些,以防结冰。④平时应经常观察蓄电池外壳是否破裂,安装是否牢靠,接线是否紧固。及时清除蓄电池表面的污垢、油渍,擦去蓄电池盖上的电解液,清除极桩和导线接头上的氧化层,保持蓄电池表面清洁干燥。蓄电池表面太脏,会造成极间缓慢放电,损坏蓄电池。蓄电池极桩处应涂凡士林油保护,防止氧化及生锈。应拧紧加液孔盖并疏通盖上的通气孔。⑤当单个蓄电池电压低于1.8V或电解液密度低于1.15g/cm3时,不要再继续使用,应及时充电。每次充电必须充足,防止欠充电。使用中应尽量增多充电机会,经常保持蓄电池在电量充足的状态下工作。完全放电的蓄电池应在24h内充好电。

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2021年中国铅酸蓄电池行业发展现状与供需情况分析

自2003年开始在铅酸蓄电池行业实施工业产品生产许可证制度以来,国家对于铅酸蓄电池行业制造及回收出台了一系列的环保政策、标准,环保和行业准入等政策的严格执行有利于铅酸蓄电池行业集中和产业升级。目前随着我国经济增长方式的转变,国家对铅酸蓄电池行业的环保要求将日益提高。近年来,我国铅酸蓄电池产量较为稳定,但随着5G网络建设的加速推进,铅酸蓄电池劣势逐渐显现,在通信领域的需求将有所下降。多项政策颁布规范行业发展近年来,我国相继颁布多项政策规范铅酸蓄电池行业的发展,调整产业结构,淘汰落后产能企业,提高行业的准入门槛,加强对行业污染的整治力度。2017年以来,国家对中国铅酸蓄电池行业政策制定,主要有两条主线。一条主线针对废铅酸蓄电池的回收利用税收政策的制定,制定的原因在于,传统再生铅企业税收均在11%左右,而民间铅回收企业税收仅为2%-4%左右,甚至有个别企业,将新电池发票当做销售旧电池的进项做了抵扣。上述现象不仅让国家损失了税收,还让铅酸蓄行业出现了“劣币驱良币”的现象。在这条主线下,《危险废物经营许可证管理办法(修订草案》明确了,采用3%低税率扶持政策,从税收的角度合理控制国家废铅酸蓄电池回收税源的规定,2019年1月所颁发的《铅蓄电池生产企业集中收集和跨区域转运制度试点工作方案》则进一步规范了铅酸蓄电池的回收流程。另一条主线,是技术主线,体现在国家对铅酸蓄电池标准的制定上—。2018年,主管部门发布《电池新国标》,明确了铅酸蓄电池行业“轻量高能”技改方向,并将此作为推动电动自行车新国标的一个辅助管理手段。随后,《电动助力车用阀控式铅酸蓄电池》发布,明确了铅酸蓄电池行业“轻量高能”技改方向,并将此作为推动电动自行车新国标的一个辅助管理手段。行业发展形势严峻,而且从目前部分前线电动自行车经销商的反馈可以预知,未来的相关管控将更为严格,行业环境也将更为严酷。近年来铅酸蓄电池产量较为稳定近年来,我国铅酸蓄电池产量较为稳定,均维持在20000万千伏安时以上。根据中国轻工业信息中心公布的数据显示,2019年我国铅酸蓄电池产量为202489万千伏安时,同比增长4%,2020年,我国铅酸蓄电池产量为22736万千伏安时,同比增长12.28%。从结构上看,国内铅酸蓄电池产量主要集中于浙江、湖北和河北,这三个地方的铅酸蓄电池产量约占全国总产量的55%;此外,江苏、安徽、广东三地的铅酸蓄电池产量占比均超过5%,其余地区铅酸蓄电池产量均小于5%。国内铅酸蓄电池产量最高的省份是浙江省,占全国铅酸蓄电池总产量的30%;其次是湖北省,占比为13%;河北省的产量位居第三,占比为12%。通信领域铅酸蓄电池需求将下降通信领域用铅酸蓄电池是通信网络中的关键基础设施,主要用于通信交换局、基站供电的直流系统等。2019年被认为是5G发展元年,主流运营商纷纷加速5G网络部署。2020年以来,我国政府密集部署5G等新基建项目,国内将领先全球,迅速推进5G网络建设,2020年1月26日,工信部发布数据,2020年全年我国新开通5G基站超60万个。同时,这也对基站用电池提出更高要求,铅酸蓄电池劣势逐步显现,各运营商开始纷纷转向锂电池。与4G基站采用的铅酸蓄电池相较,磷酸铁锂电池在安全性、循环寿命、快速充放等方面具备明显优势,可减少对市电增容改造的依赖,降低网络建设和运营成本,是目前最适合国内5G基站储能电池的技术路线。业内人士指出,通信基站后备电源电池由磷酸铁锂电池逐步替代铅酸蓄电池是大势所趋。从技术层面分析,磷酸铁锂电池循环寿命长、充放电速度快、耐高温性能强,能为5G基站降低运行成本、提升运行效率。一般铅酸蓄电池循环寿命为3-5年,充放电次数为500-600次,而磷酸铁锂电池循环寿命达10年以上,充放电次数为3000次以上,也就是说,在基站全生命周期内,如使用铅酸蓄电池,需要更换电池,而磷酸铁锂电池则无需拆换。虽然现阶段磷酸铁锂电池成本费用比铅酸蓄电池高1-2倍,但在5000次循环系统使用寿命下,磷酸铁锂电池成本费用仅为铅酸蓄电池的1/3。从长期运行经济效益来看,磷酸铁锂电池使用成本更低。由于国家政策的大力支持,例如新国标引发电池“轻量化”,直接减少对铅的用量。而锂电梯次电池逐渐替代铅蓄电池,2020年中国铁塔将完全不使用铅蓄电池。较早之前,中国移动通信集团有限公司也发布公告,计划采购不超过25.08亿元的通信用磷酸铁锂电池共计6.102亿Ah(规格3.2V)。公开资料显示,2020年,新建及改造的5G基站磷酸铁锂需求量约10GWh,未来磷酸铁锂电池市场需求仍将持续增加,铅蓄电池需求量将继续下降。一般国内通信基站电池的使用寿命为5年,按照一个基站配备2组48V400Ah铅酸蓄电池计算,每个基站的需求为38.4Kvah。因此,前瞻测算,2020年,我国通信领域新增基站用铅酸蓄电池需求规模进一步下降至2304万千伏安时。注:由于统计局及相关行业协会仅统计每年铅酸蓄电池的产量,前瞻根据国家统计局提供的铅酸蓄电池的产量数据以及通信行业发展趋势,对通信领域新增基站用铅酸蓄电池的需求规模进行测算,此为测算数据。但是,尽管磷酸铁锂电池已在5G基站中广泛应用,其应用技术也已达到现有5G基站备用电池标准,但想要实现磷酸铁锂电池在基站中的规模化应用还有待时日。现有铅酸蓄电池还没有全部退役,磷酸铁锂电池想要全部替换铅酸蓄电池至少还需5-8年时间。此外,磷酸铁锂电池的回收技术门槛高、回收流程复杂、回收价值有限等问题也限制了磷酸铁锂电池的规模化发展,铅酸蓄电池回收工艺成熟,且其回收流程简单,具备一定的经济性。所以,整体来看,锂电化会在部分应用场景中成为趋势,但在用电量大、安全性要求高的场合,铅蓄电池仍有着不可替代的优势,但随着锂电池技术、安全性的不断提高,锂电池对铅酸蓄电池的替代将越来越明显。整体来看,在通信领域,我国基站用铅酸蓄电池需求规模将逐步下降,但要实现锂电池对铅酸蓄电池的完全替代,还需要一定的时间。

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美国能源部发布的“储能大挑战”报告(三):锂离子电池和铅蓄电池

中国储能网讯:二.锂离子电池技术锂离子电池广泛应用于固定储能市场和交通运输市场,它们也是消费电子产品中的主要电源。多家琛分析机构预计,锂离子电池在未来10年内仍将占据储能部署的大部分市场份额。储能技术正在从铅酸电池过渡到具有更长的循环寿命和工作寿命的电池,例如锂离子电池。但是,锂离子电池的易燃性是需要在系统工程设计进行改进的问题。而普鲁士蓝类钠离子电池是另一种提供高功率和极长循环寿命的新型电池,可以满足苛刻的直流应用性能要求。美国能源部为此为开发和生产这种电池的一家初创公司提供了资助。1.锂离子电池市场锂离子电池市场是增长最快的可充电电池市场。从2013年至2018年,锂离子电池在所有市场的全球销售额增长了一倍以上。交通运输行业在锂离子电池市场上占主导地位,也是增长最快的行业,各种汽车采用了60%的锂离子电池。根据Avicenne公司发布的调查报告,全球锂离子电池市场规模在2018年为400亿美元,如图9所示,这相当于在全球部署172GWh的电池储能系统,到2019年增至195GWh。几家分析机构预测未来十年的锂离子市场发展趋势。其基本假设以及分析中包括的市场取决于具体的来源。本节概述了这些分析和假设。图9.全球锂离子电池在未来10年在各种市场的应用图10. 彭博社新能源财经公司对锂离子电池在全球各地市场的部署预测图11. Avicenne公司对锂离子电池在全球各地市场的部署预测彭博社新能源财经公司(BNEF)和Avicenne公司预测了2030年全球所有市场的锂离子电池部署情况,分别如图10和11所示。彭博社新能源财经公司预测,锂离子电池在全球消费类电子产品、固定储能市场和运输领域的应用将超过2TWh。Avicenne公司的预测涵盖了以下两种情况的市场以及其他市场(例如医疗设备和电动工具),而两项研究中,都认为交通运输行业将采用90%以上的锂离子电池。彭博社新能源财经公司(BNEF)预计到2030年运输行业采用的锂离子电池容量将达到1.8TWh,而Avicenne公司预计到2030年运输行业采用的锂离子电池容量将达到0.7~1.0TWh。国际能源署(IEA)发布的《2020年全球电动汽车展望》报告只评估了交通运输行业,并按国家和地区预测了混合动力和插电式混合动力电动汽车(xEV)的销量。评估的第一种情况是“既定政策,并基于当前的目标、计划和政策措施。此方案包括各国实现的混合动力和插电式混合动力电动汽车(xEV)部署目标、燃油车辆淘汰计划、购买激励措施,以及针对全球七个主要市场(美国、欧盟、中国、日本、加拿大、智利、印度)。还考虑了原始设备制造商发布的有关扩大混合动力和插电式混合动力电动汽车(xEV)车型范围的计划以及扩大其产量的计划的公告。根据国际能源署(IEA)发布的STEPS方案,到2030年,全球车辆所需的锂离子电池容量为1.6TWh,这与彭博社新能源财经公司(BNEF)估计的1.8TWh相似。图12和图13分别按移动性细分和区域详细说明了国际能源署(IEA)的STEPS方案。如图12所示,轻型车辆是采用移动式锂离子电池的最大类别。而中国拥有最大的移动锂离子电池市场,如图13所示。图12.根据国际能源署(IEA)STEPS情景下预计的全球锂离子电池部署量(按车辆类别:电动客车、轻型车辆、中型和重型车辆)图13.根据国际能源署(IEA)STEPS情景下预计的全球锂离子电池部署量(按地区)锂离子电池容量是根据全球汽车销售量(按类别)以及每种汽车的典型车载电池尺寸估算得出的。国际能源署(IEA)还评估了第二种方案“可持续发展方案”,该方案假设混合动力和插电式混合动力电动汽车(xEV)占据了全球轻、中、重型车辆和公共汽车的30%的汽车销售份额。在这种情况下,到2030年可以增加多达3TWh的锂离子电池容量。图14比较了国际能源署(IEA)的这两种情况。图14. 根据国际能源署(IEA)STEPS情景下,在xEV行业中预计的全球年度锂离子电池部署量尽管有许多其他预测,但欧洲电动汽车市场规模在2020年首次超过了中国,预计2020年将超过100万辆电动汽车。这种增长与欧洲的持续政策和补贴有关,而中国则减少了其电动汽车补贴。例如,德国已设定了到2030年生产710万辆电动汽车的目标,并为每辆新型电动汽车和混合动力汽车提供最高9000欧元的补贴。德国还将在电池的研究和生产上投资超过15亿欧元,计划到2025年开始扩大生产规模。为了支持电动汽车市场的快速扩展,许多厂商都在投资电动汽车充电基础设施。全球电动汽车充电端口目前超过了100万个,这是过去三年总和的两倍。欧洲是电动汽车市场扩张的领头羊,其电动汽车充电基础设施在2017年至2020年之间增长了五倍。在同一时期,中国增长了158%,美国的增长了65%。而在氢燃料电池汽车方面进行了大量投资的日本只增长了30%。与交通运输行业的增长相比,固定储能增长比较平缓。这通常是因为可再生能源通常是成本最低的发电来源,但是需要存储其电力以减缓可变性。而美国是全球固定储能部署的领导者。例如,在太阳能发电设施替代装机容量为9GW的天然气发电设施之后,加州电网估计需要部署装机容量为12GW的储能系统进行平衡。到目前为止,加州公用事业委员会已批准了装机容量总计为5.1GW的电池储能系统,计划到2022年完成部署。2.锂离子电池的制造图15.全球锂离子电池生产区域如图15所示,全球锂离子电池制造的大部分都在中国、美国、亚洲其他国家和欧洲各国。如今,中国以将近全球电池产能80%(电池容量为525GWh)占据市场主导地位。此外,到2025年电池产能将达到1400GWh,其市场占有率超过60%(图16)。相比之下,美国落基山研究所预计2023年全球锂离子电池的生产能力为1300GWh,其中一半在中国。图16.  计划建设(蓝色)或在建(红色)的锂离子电池制造工厂生产能力美国是全球第二大电池生产国,其电池生产能力为当前全球电池生产容量的8%,这主要归功于内华达州运营的特斯拉和机松下公司合资的电池工厂。而如今美国正在建设更多的电池生产工厂,而凭借积极的新法规和政府支持的融资,欧洲的电池制造业有望显著增长。尽管当今中国在电池制造业中已经确立主导地位,但由交通运输行业推动的增长可能会改变未来的全球足迹。欧洲为在本地和区域性增长制定了强有力的政策和激励措施。欧洲电池联盟预测,到2025年,欧洲的电池制造行业规模可能达到2500亿欧元。目前,计划在法国的杜文市和德国的凯撒斯劳滕建设两个大型生产工厂,这些工厂可以为100万辆电动汽车生产电池。法国和德国在电池生产的投资分别为15亿欧元和35亿欧元。图17和图18总结了锂离子电池的四个主要部分的整体制造能力:阳极、阴极、电解质盐和电解质溶液。目前,锂离子阳极主要由石墨组成,并主要由五个国家生产:中国、日本、美国、韩国和印度,分别占到全球产量的76%、13%、6%、4%和1%。锂离子阴极在9个国家和地区生产,其组成随着新的低钴化学技术的发展而变化。超过一半(58%)在中国制造,其次是日本和韩国,它们分别占近17%。美国生产的阴极不到全球的1%。中国制造占多数。图17.全球锂离子电池组件制造分布电池和原料(例如金属)的供应和精炼以及各种锂离子化学物质的分配是锂离子市场上的重要考虑因素,但不在本文档的范围之内。3.锂离子电池研发美国能源部车辆技术办公室已经确定了xEV电池(以及12V起停动力电池)的商业化所面临的主要挑战:成本、性能、寿命、耐受性、回收利用和可持续性。针对这些改进的关键研究领域包括:?快速充电能力?硅阳极?高能的低钴阴极?高压阴极?高压电解液?锂金属阳极?固态电池?电池回收。图18提供了xEV锂离子电池的成本和技术发展趋势。图19概述了候选电池技术及其满足美国能源部(DOE)成本目标的可能能力。由于不同电池技术的差异很大,电池研究还包括多个活动的重点是解决整个电池供应链中的高成本领域。图18.电动汽车锂离子电池的成本和技术趋势图19.未来各种电池技术成本降低的潜力三、铅酸电池铅酸电池如今已经广泛应用在交通运输和固定储能市场用,主要为所有类型的公路和越野车辆提供SLI服务。此外,铅酸电池大量应用在工业部门,其中包括电信行业备份电源、UPS和数据中心以及叉车。如今,用于电网相关储能系统的应用量相对较少。1.铅酸电池市场2013~2018年,全球铅酸电池年销售额增长了20%以上,达到370亿美元。目前,铅酸电池占到所有可充电电池市场的70%以上;铅酸电池销售额的75%来自汽车SLI领域。江森自控公司以233亿美元的销售在汽车行业占主导地位。而Enersys公司以142亿美元的销售额在工业行业中领先。图20和图21分别以应用场合和行业销售额(10亿美元)与储能容量(GWh)的比例展现当前的全球铅酸电池市场情况。图20.按应用划分的2018年全球铅酸电池部署量(%GWh)图21.按公司划分的2018年铅酸电池销售量Pillot 公司预测,到2030年,铅酸电池需求将以5%的年增长率增长(如图22所示)。尽管铅酸电池目前是固定和运输应用(对于SLI)中最常见的电池,但预计到2025年它们的储能容量(GWh)仍将领先,但可能会滞后于销售额。希望在2020年及以后,轻度混合动力和启停混合动力汽车将成为高级铅酸电池的增长领域。图22.预计全球所有市场的铅酸蓄电池需求预计到2025年,新车的销售量将使铅酸电池需求可能小幅增长,届时其增长将趋于平稳(如图23所示)。由于更换电池的时间比较频繁(最短的工作寿命为3年),尽管中型和重型车辆的电池规模更大,但由于它们在总销量中的显著优势,所有SLI应用(GWh)中有70%以上都来自轻型车辆(如图24所示)。图23.彭博社新能源财经公司预计各地汽车销量中铅酸电池产能的增长图24.按类别划分的汽车销量预计铅酸电池产能增加量用于混合动力汽车起停(12V)的铅酸电池是铅酸电池市场潜在的增长领域。微型混合动力汽车比传统汽车节省5%的燃料,其价格比全混合动力电动汽车便宜10倍。如图25和26所示,2017年是固定储能市场铅酸电池快速增长的元年。图25表明,其增长主要是由中国的强劲市场需求推动的,欧洲也有一些增长,而美国的增长则很少。图26详细说明了应用领域细分情况。在2017年之前,固定市场主要是与电网相关的应用,此外工业用途也推动了爆炸性增长。铅酸电池行业厂商认为,基于技术进步和市场发展,铅酸电池在未来的固定式储能市场中仍然具有巨大的商机,其中包括:·投资于电池双极设计以增加能量密度,并降低成本。·用户侧储能和其他对安全至关重要的应用。·电信行业将在发展中国家发展,并用于5G技术的部署。图25全球铅酸电池市场增长主要是由中国的强劲需求推动(2008年~2020年)图26  铅酸电池在各种领域的应用(2008年~2020年)2.铅酸电池在美国的生产在美国,铅酸电池行业的年产值为263亿美元。它们在美国国内生产,并且99%被回收。铅酸电池在美国18个州生产。此外,美国有10个州有电池回收设施,有9个州拥有技术开发设施,还有10个州的公司为铅酸工业提供原材料(例如石墨)或设备。铅酸电池行业已经在美国38个州创造了近25,000个工作岗位(制造。回收、运输、分配和采矿)。图27和28分别显示了美国电池制造设施分布和创造的就业机会。图27.美国铅酸电池行业及相关产业分布图28美国各州与铅酸电池行业相关的工作分布

作者: 刘伯洵编译 详情
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圣阳电源相继中标中国移动、中国电信两大运营商铅蓄电池集中采购项目

2020年12月3日,中国移动公示了2020至2021年度Ⅰ类铅酸蓄电池产品集中采购项目中标结果,圣阳电源顺利中标,获得约33.8万KVAh份额。12月17日,中国电信公布了普通型阀控式密封铅酸蓄电池(2020年)集中采购项目中标结果,圣阳电源再次顺利中标,获得约30万KVAh份额。至此,2020年两大通信运营商铅蓄电池重要收关招标项目中,圣阳电源均获得客户高度认可,成功中标。圣阳电源将持续为客户提供优质产品和满意的服务,不断提升运营商服务质量,保持客户持续满意。圣阳电源作为国内通信市场备用电源领域的主流供应商,是国内成立时间最早的专业电源制造企业之一,有幸见证并深入参与了国内通信行业的快速发展,并随着国内通信行业及运营商的发展而不断壮大。近年来针对运营商不同工况的不同备电需求,公司依托于30年的行业经验与技术积累,以国家级企业技术中心、博士后科研工作站、CNAS实验室等技术平台为支撑,持续推进技术创新和产品进步,为客户提供更适合实际需求的一体化电源产品解决方案。公司具备覆盖全国的、优良的销售服务网络,持续提供优质的售前、售中、售后等全过程、全方位的7*24小时的技术服务支持。公司以最具性价比的产品和优质的服务践行“关键时刻、值得信赖”的企业理念,本次集采结果也是运营商客户对圣阳电源的又一次高度认可!圣阳电源作为国内领先的绿色能源供应商,秉承“以客户为中心、为客户创造价值”的经营宗旨,以变革创新为动力,面向海内外市场,向客户提供储能、备用、动力、系统集成电源产品和定制化解决方案,是行业内唯一荣获 “中国出口质量安全示范企业”称号的企业。即将到来的十四五,在“新基建”背景下,圣阳电源以专业化、智能化为方向,夯实产业能力,为通信运营商提供更加安全可靠的产品和电源解决方案,助力新基建建设,为建设数字中国贡献力量!

作者: 沈阳蓄电池研究所新闻中心 详情
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南都电源预中标中国电信铅酸蓄电池集采项目

今日,中国电信发布普通型阀控式密封铅酸蓄电池(2020年)集中采购项目中标候选人公示,南都电源为第一中标候选人,投标报价(价税合计)9.46亿元,公示期为2020年12月18日至21日。(证券时报)

作者: 沈阳蓄电池研究所新闻中心 详情
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宝马摩托车全球推荐使用猛狮科技(DYNAVOLT)启动电池

近日,在宝马集团(https://www.press.bmwgroup.com/global/registration)的网站,刊登了题为BMW MOTORRAD WORLD TEAM RECOMMENDS DYNAVOLT BATTERIES的文章,文中,宝马车队经理肖恩?缪尔和马克?邦格斯都对猛狮表示了由衷感谢。肖恩表示,在新冠肆掠的2020,如果没有猛狮的支持,车队几乎无法参加今年的WSBK,猛狮在宝马车队中扮演着极其重要的角色,他和他的团队都非常感激猛狮在2020赛季给予的赞助和支持,也期待来年更加深入和密切的合作。马克说,在世界级的摩托赛事上,每一个细节都是成功与否的关键。猛狮提供了可靠、高端的产品,是赛车电池领域的完美伙伴,而想要取得成功,这样强大可靠的合作伙伴必不可少。我们欣赏并赞赏这种合作,并借此机会表示感谢。感谢猛狮!期待扩大我们在赛车和产品方面的合作。熟悉WSBK的人都知道,宝马在2012年曾一度退出WSBK,去年才重回赛道,也是在去年,猛狮开始与宝马车队的合作,并与宝马车队携手走过了两个赛季。在接下来的2021,猛狮也会继续保持对车队的支持,强强合作,定能碰撞出最精彩的火花。比赛用车 BMW S1000 RR赛场精彩瞬间作为国内最早一批做摩托车起动电池的企业,高端电池制造一直是猛狮的核心业务之一。从初入摩托车电池行业,到成为国内摩托车蓄电池出口量最大的领军企业,猛狮科技以独到的眼光在电池制造业创造出属于自己的一片天地,并将“中国制造”推向了国际市场。目前,猛狮科技的摩托车电池产品主要分为三种产品类别,第一类是胶体电池,第二类是具有干荷性能的免维护电池,第三类是普通干荷电池。在行业内,猛狮的摩托车电池产品在性能上具有明显优势,从制造技术和质量管控上都具有世界一流水准。本赛季宝马车队搭载的正是猛狮科技诸多电池产品中的一款——MG52113。这是一款适应于BMWK1600GT、R1200RT、R1100RS、R1150等高端车型的起动胶体电池,对应业内的型号是51913(20HR@19Ah),为保证这款高端产品能获得更高的性能,猛狮设计此款产品为(20HR@21Ah),-18℃CCA 高达310A,远超同业竞品各项性能指标。2021年WSBK赛季即将拉开帷幕,我们也将为大家持续带来赛事精彩报道。WSBK简介世界超级摩托车锦标赛World Superbike Championship,也简称为WSBK,始于上世纪70年代的美国。作为摩托车顶级赛事之一,其迷人之处就在于它所使用的赛车,都是市场上能买到的超级跑车,稍微进行改装就可参赛,普通车迷即使不参赛也可到赛场领略驾驶的乐趣;另外这种比赛的广告效应十分强烈,各大厂家不惜血本进行投入和宣传,这样WSBK越来越受到车迷和观众的喜爱,不断发展壮大。WSBK的赛制采用一场二节制,中间有休息时间,可对赛车修理和调校。比赛后用两节时间相加排出名次,并累计积分,全年积分最高者为年度总冠军,积分最高的车队为年度冠军车队。

作者: 沈阳蓄电池研究所新闻中心 详情
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磷酸铁锂电池回潮引人关注

近日,奔驰汽车公司宣布将在旗下入门级新能源汽车中转向使用价格更便宜的磷酸铁锂电池,以防止入门级车型中使用的部分金属原材料价格飙升所带来的成本问题,这再次引起了业内对动力电池技术路线的关注。事实上,今年以来,动力电池产业发生了变化,磷酸铁锂电池对三元锂电池的反超成为业内热议的话题。根据中国汽车动力电池产业创新联盟公布的产业数据,5月和7月开始,中国市场上磷酸铁锂电池产量和装车量开始超过三元锂电池。9月份,无论是产量还是装车辆,磷酸铁锂电池都高于三元锂电池。前三季度,磷酸铁锂电池增速持续超过三元锂电池。而在去年,三元锂电池还占据着市场的绝对主流。业内人士认为,造成磷酸铁锂电池回潮的主要诱因是主机厂降低成本。由于补贴逐渐退坡并将最终退出,而“双碳”目标倒逼车企加大电动汽车销售力度,主机厂普遍面临降低电动汽车成本的压力,以取得竞争优势。从价格来看,三元锂电池所使用的材料镍、钴、锰酸锂在全球储量低,加上新冠肺炎疫情带来的不确定性,导致其价格不断攀升;而磷矿的储量较为丰富,这让磷酸铁锂电池具有了一定的成本优势。据了解,在奔驰转向使用磷酸铁锂电池之前,特斯拉、蔚来、小鹏、广汽埃安等传统车企的标准续航或者低续航车型都开始采用磷酸铁锂电池,比亚迪今年4月宣布旗下电动汽车将全部采用磷酸铁锂电池。另一方面,磷酸铁锂电池技术过去几年也有提升,再加上电池包的内部结构因技术创新得到了优化,使系统能量密度出现较大幅度的提升,在一定程度上弥补它在续航里程方面的短板。但不少业内人士也同时提出,虽然随着近年来技术的不断改进提升,磷酸铁锂电池使用的范围得到了拓展,但其能量密度天花板依然较低,对车辆的续航里程构成限制,目前来看,三元锂电仍是高端车型主流技术路线。比如,在不久前举行的2021全球新能源与智能汽车供应链创新大会上,中国电子科技集团公司第十八研究所研究员肖成伟介绍,从2020年纯电动乘用车电池系统能量分布来看,140-160Wh/kg中很大一部分是磷酸铁锂电池,160Wh/kg以上以三元锂电池为主;目前低成本的纯电动车以磷酸铁锂电池为主,高性能车以三元锂电池为主,也有一些车企在探索将三元锂电池和磷酸铁锂电池混用的方向。这表明,在一段时期内,磷酸铁锂电池和三元锂电池将继续作为动力电池的两条主要技术路线存在,并应用在不同的车型上,如果考虑到电动汽车消费升级和车企纷纷发力高端车市场的背景,三元锂电池仍有较大发展空间。

作者: 岳倩 详情
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松下展示特斯拉4680电池 不跟风磷酸铁锂

因为成本较低,磷酸铁锂电池越来越受到新能源车企的欢迎。10月27日,戴姆勒集团CEO康林松(Ola Kallenius)表示,从2024和2025年开始,集团旗下梅赛德斯-奔驰的入门级车型将采用成本更低的磷酸铁锂电池,具体车型包括EQA和EQB。10月21日,特斯拉宣布将标准续航版本电动车Model 3和Moderl Y中的动力电池切换到磷酸铁锂电池。不过,特斯拉的电池供应商松下却在近日展示其即将推出的4680圆柱电池时表示,该公司没有为电动汽车生产更便宜的磷酸铁锂电池的计划。松下的电池负责人 Kazuo Tadanobu说,松下计划到2022年3月开始在日本试生产4680电池。他称该产品是根据特斯拉的要求量身定制的,并表示松下计划向特斯拉供应该产品,但他拒绝透露其他细节。当被问及松下的电动车电池业务时,松下新总裁兼首席执行官Yuki Kusumi表示,未来数年,电动车电池是该公司战略的核心。虽然韩国和中国都出现了有力的竞争者,但松下仍将致力于改善电池生产技术,保持自身竞争力。去年9月22日,特斯拉在电池日上首次发布了4680圆柱电池。据介绍,该电池高80毫米、直径46毫米,和传统锂电池相比,能量密度提高5倍,续航里程提高16%,且成本降低14%。10月21日,特斯拉在第三季度财报电话会上表示,4680型电池项目继续取得进展,正在生产更多电池组用于测试。到目前为止,测试结果符合预期,2022年初将交付首批配备4680型电池的汽车。据悉,除了今年在日本建立了一条生产4680电池的测试线外,松下还计划在2022年设立一家新能源业务公司——松下能源公司,来建造4680型电池超级工厂和方形电池超级工厂。虽然松下表示“4680 电池方面交易将使公司与特斯拉之间的关系更加牢固”,但特斯拉也在寻找新的供应商,LG能源解决方案和三星SDI都已经完成了4680电池的样品开发。同时,为了提高电池的产量,特斯拉已在加州弗里蒙特工厂建立试生产线,为首批搭载4680型电池的车型供货。而松下之所以无意布局磷酸铁锂电池,有业内人士认为,这或与其希望降低对特斯拉的依赖,进行客户结构调整有关。对于近期苹果公司与宁德时代及比亚迪就苹果公司造车项目中的电池供应谈判陷入僵局,苹果公司已考虑与松下合作的传闻,松下10月25日表示,关于向美国苹果公司正在研究开发的电动汽车供应车载电池一事,“不否认各种可能性”。消息的可能性在于:松下在美国有电池工厂,且特斯拉逐渐将汽车电池供给业务多元化,让松下处于边缘化,曾清空了特斯拉的所有股票。苹果造车于松下来说是个很好的机会。和苹果和合作没有得到证实的同时,松下却迎来了一位新的客户。10月27日消息,松下将从2022年起向美国新兴纯电动汽车企业Canoo供应电池。双方于10月26日达成供货协议,松下将持续数年向Canoo提供特斯拉采用的圆柱形电池。但具体供货量并未公布。据Canoo在美国时间10月25日公布的消息:Canoo将把电池搭载到定于2022年在欧美上市的电动MPV车型“Lifestyle Vehicle”上。

作者: 沈阳蓄电池研究所新闻中心 详情
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SES麻省固能CEO:动力电池的未来,最终将走向锂金属电池

记者 | 程迪10月初,据外媒报道,混合锂金属电池独角兽企业SES麻省固能成功建立了第一条试点生产线,以扩大生产高性能solvent-in-salt电解液。据悉,SES是近两年全球电池产业的投资热点,目前已经获得了多家大型车企和能源巨头的重视,其中不乏通用、现代、起亚、上汽、吉利、天齐锂业等大公司。今年7月,SES更宣布和艾芬豪资本收购公司达成最终合并协议,并将通过SPAC形式,于121月在纽约证券交易所挂牌上市,成为全球第一家上市的锂金属电池公司。SES的混合锂金属电池和一般锂离子电池的最大区别在于负极材料。它可以让车辆续航提升50%,生产成本降低18%,充电速度也有大幅提升。而此次扩产试点生产线,针对的就是混合锂金属电池负极材料中必备的一种特殊的高浓度锂盐中溶剂电解质配方,与锂金属混合后结构稳定,具有低挥发性和自熄性,更能使混合锂金属电池在低温和高功率下,依旧保持着高能量密度和安全性。更重要的是,由于正极和锂离电子电池的材料完全一样,混合锂金属电池完全可以采用现成的产业链体系,只需更改负极材料或形状,即可全面对接相关电动车电池产业链。SES的混合锂金属电池是否代表了动力电池行业的未来?为了更了解混合锂金属电池产业,我们对SES创始人兼CEO胡启朝进行了一次独家专访。麻省高材生的全新汽车电池之路Solid Energy Systems麻省固体能源公司(简称SES)成立于2012年,是一家电动汽车高性能可充电混合锂金属电池开发者及制造商,在材料、电芯、模块、基于人工智能学习的电池安全算法和电池回收再利用方面也都有涉猎。创始人胡启朝在2007年获得了麻省理工学院物理学学士学位,并于2012年获得了哈佛大学应用物理学博士学位,主攻固态电池方面。图片来源:SES麻省固能同年,美国电池行业经历了锂电池生产商A123公司的破产事件。A123的惨败让胡启朝产生了一个新思路:无论对车企、消费者还是电池公司本身,锂离子电池可能都不是最好的选择。在此背景下,胡启朝创立了Solid Energy Systems麻省固体能源公司,也就是如今SES的前身。公司创立后没多久,胡启朝当年入选了当年的《福布斯》杂志的“30位30岁以下精英”。SES创立之初,胡启朝选择做的是做全固态锂金属电池的另一个原因,是因为这是他从大学时代就开始深耕的熟悉领域。从1990年代初开始,全固态锂金属电池的概念就已经出现,比索尼的锂离子电池还要早。当时,全固态锂电池指的就是以金属锂为负极,在工作温度区间内所使用的电极和电解质材料均呈固态,不含任何液态组份的锂电池。早期专业人士认为:与锂离子体系相比,用锂金属做负极的固态电池具有更好的性能,安全性、可回收性以及成本更低。但全固态锂金属电池在材料和工艺加工方面,一直存在着极大的困难与挑战。某种程度上说,全固态锂电池似乎更像是一个梦想——至今,全球尚无一家电池公司能将这一梦想实现。胡启朝也是在试错3年后,决定改做混合锂金属电池,即60%的正极材料和锂离子金属电池完全一样,40%的负极采用锂金属和特殊电解液材料,这也是混合锂金属电池名字的由来。目前,SES是第一家,也是唯一一家公布了第三方测试报告的混合锂金属电池公司,包括能量密度、循环、低温、高温、安全、快充等一系列测试报告。同时,SES也是全球第一家和车企签订A样品合作开发协议的混合锂金属电池公司。目前公司已经在6年内完成了5轮融资。主要投资者包括韩国SK集团、通用汽车、现代汽车、起亚公司、淡马锡、天齐锂业、祥峰投资集团、美国应用材料公司和上汽集团等,累计融资近2.7亿美元(约合人民币17.44亿元)。今年7月,SES对外宣布与著名的艾芬豪资本收购公司正式合并。合并后的SES,股权价值约为36亿美元,同时还获得了4.76亿美元的募资;预计今年11月,SES将在纽约证券交易所以SPAC的方式上市,将累积获得7亿美元左右的资金。合并后的实体公司,将会成为全球少有的几家动力电池上市公司,更是全球第一家上市交易的混合锂金属电池供应商。混合锂金属电池到底厉害在哪里?从材质上看,锂离子电池和锂金属电池的正极材料完全一样(一般汽车的正极要占到电池的60%左右)。最大区别就是双方的负极。锂离子电池的负极主要是石墨和硅,锂金属电池的负极则为锂金属和特殊电解液材料——这也是混合锂金属电池名字的由来。根据胡启朝的描述,相比我们熟悉的锂离子电池,混合锂金属电池拥有三点最突出的优势:第一:技术和资金成本更低。常规锂离子电池的负极材料需要浆料、涂布、滚压、干燥等程序,每一个环节都需要大量的设备与时间投入。而SES的锂金属电池采用滚压的方式,将高纯度锂金属滚压成比较厚的锂箔,再按需要逐步滚压到所需要的厚度。比如,100微米、60微米甚至20微米都可以。整个锂箔的制备过程都是在干燥环境中进行,无需溶剂,所以设备和环境的要求都会比前者简单不少。综合下来,锂金属电池的成本,比锂离子电池的成本低18%左右。第二:能量密度更高。通过滚压制得的混合锂金属电池,第三方检测报告显示,在满足电池寿命和安全要求的前提下,能量密度一般可达到400Wh/kg,而一般锂离子电池的能量密度在260Wh/kg或280Wh/kg左右,续航里程是常规锂离子电池的50%以上。比如今年1月通用推出的悍马电动汽车,用传统锂离子电池充一次电后能跑300英里,用混合锂金属电池的话,同样情况下,充一次电可以跑500英里,续航里能程得到大幅度提升。第三:安全性更高。SES混合锂金属电池成功地从材料、制造工艺、软件监控等多个层面提升了电池的安全性。SES专有的获专利电解液有助于解决几十年来一直困扰着锂金属的采用和进展的问题。随着反复的充电和放电循环,锂金属阳极会形成针状苔藓结构的“枝晶”,它可以穿透隔膜并让电池短路。SES研究出的电解液不仅大大减缓了“枝晶”的生长,而且还将其形态从尖锐的树枝状结构变为“密集沉积(Dense Deposition)”,这大大延长电池的生命周期,并提升了安全性。除了电解质之外,SES混合锂金属电池单元使用专有的阳极涂层,等于多提供一层保护,并能在充电时使锂镀层更密。混合锂金属电池的正极材料、电解液和锂离子电池都完全一样,所以不仅可以采用现在电池企业所采取的措施,从电芯、模组等方面做散热,还能在正极材料的混合电解液里加入添加剂,来缓解冬季低温续航方面的问题。软件层面,SES采用先进的人工智能驱动的算法,可以准确地监测电池单元的健康状况,并更早地发现任何即将出现的与"枝晶"有关的或其他的安全问题。除了通过选择更合适的材料提高电池安全,胡启朝表示:“通过AI软件监控,我们可以对电池从生产线、质量管理到上车,24小时不停地进行参数监测,从而精确了解电池健康状况,在安全事故发生之前提前预测。”另据界面新闻记者了解,由于混合锂金属电池的正极材料和锂离子电池完全一样,某种程度上,这两种电池的生产工艺和隔膜原材料也是相同的,甚至混合锂金属电池的工艺从极片、电池组装以及注液,再到生产设备,其实完全是从锂离子电池行业脱胎而来。因此双方的产业链可以进行对接。再加上SES锂金属电池采用的滚压制备方式,使得其形状也可做到和适用于高端汽车的高镍电池、以及针对大众型汽车的无镍磷酸铁锂等电池完全匹配——即正极材料和形状,完全可以根据不同市场来改变。“一个更安全、续航里程更高的电池,等于一个更便宜的电池。SES结合了传统锂离子电池和全固态锂金属电池的优点,开发出的混合锂金属电池,既保留了全固态金属电池的高能量密度优势,也拥有锂离子电池生产工艺和可制造性的一些优点。”胡启朝解释。不过,从寿命周期来看,混合锂金属电池和锂离子电池相差无几,都在50万公里以上。当然,一般当下车企给到的明确保证是在16万公里左右,实际情况是远高于此。此外,SES也有自己的难点与痛点,就是负极材料的研发。毕竟目前全球极少有企业可以批量生产又宽又薄的锂金属材料,因此某种程度上,这种先进正是也代表着混合锂金属电池走向全面难以产业化道路上的难点之一。所以,这也将是SES的目前以及未来的主要攻克方向。产品已进入验证阶段,但量产仍尚需时日“综合来说,混合锂金属电池具备了更高密度、成本更低、重量更轻、安全性更高、充电速度更快、智能化水平更高等六大优势。不少业内专家认为,以硅为负极主要材料之一的锂离子电池是目前到2025年的主流。以锂金属和特殊电解液材料的混合锂金属电池则是要到从2025年开始逐渐上升。”胡启朝告诉界面新闻记者。换言之,混合锂金属电池或将是汽车和动力电池行业的共识。而且,目前SES的混合锂金属电池已经不止于实验室阶段,开始和部分车企进行产品验证。所谓产品验证,其实车企专门针对动力电池研发方面提出的一项极为漫长的验证过程。一般包含了工程样品、A样品、B样品和C样品四个阶段共10年的漫长周期。通常,5年左右的时间用于工程样品研发;之后3年为A样品开发生产,然后是1年B样品和1年C样品的开发生产。据了解,SES在去年已经完成了工程样品第一阶段。并在今年3月和通用汽车达成联合开发协议,在波士顿为后者开发A样品电池;5月又和现代汽车与起亚签署联合开发协议,为现代开发A样品电池。预计明年将进行A样品的优化,2023年和2024年分别研发出B样品和C样品,2025年正式装车上路。这一点上,SES的确走在了所有锂金属电池开发商的最前面。据悉,SES的A样品要做到1GWh产能,B样品和C样品也是7到10GWh产能。一般而言,量产上车需要做到10GWh就可以量产上车。图片来源:SES麻省固能SES和通用汽车已经在波士顿拥有了一条1GWh产能的A样品生产线,而位于嘉定的上海分部未来也将完成也将在年底扩大面积,开始整个A样品的开发。据胡启朝介绍,嘉定基地占地面积6000平方米,主要做6Ah和9Ah的小电芯产品开发中心。马上,这个基地就会扩展到3万平方米左右,成为SES全球最重要的基地。未来,将涵盖电解液、锂金属负极、正极、电芯、软件、模组、安全测试等各方面能力。预计今年年底,嘉定基地就将开始生产1GWh产能的混合锂金属电池,并成为SES业务布局的核心,从基础研发、产品开发到生产工艺,乃至打通整个产业链。胡启朝表示:对于锂离子电池来说,1GWh的产量并不算大,但对于混合锂金属电池来说,这将会是全球最大的生产中心。而为了控制产品质量和降低成本,SES未来还会自己生产电芯、材料、模组,甚至电池管理系统、电池安全软件等配套产品。预计未来上海生产和研发中心的产能还会再进一步扩大,为下一步B和C样品的10GWh产能做准备。眼下,这家新兴电池公司在为自己打开了一扇新世界大门的同时,也为全球车企和相关动力电池行业,打开了一扇新世界的大门。对此,胡启朝称:“混合锂金属电池替代锂离子电池并不会是一个一蹴而就非常迅速的过程,而是逐渐替代。”在他看来,动力电池从最初的铅酸电池到后来的镍电池,再到当前市场应用最广泛的锂电子电池,未来会最终走向锂金属电池。目前,SES在全球约有110位职员,研发人员的比例高达90%,其中很多研发人员都曾在大多来自CATL、LG、SK等著名的锂离子企业工作过。截止今年9月,SES已在波士顿、上海、新加坡和首尔这四座城市设有重要部门。其中,新加坡为控投总部;波士顿的设施分部主要负责与通用的合作,主攻化学、材料和算法研发,以及一家试验工厂;而位于上海的嘉定工厂分部,承担的责任与任务最为复杂——既有制造工艺开发,以及电池、模组和BMS研发部门,又有大型试验工厂。

作者: 沈阳蓄电池研究所新闻中心 详情
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特斯拉要全面使用磷酸铁锂电池,相关概念股大涨!

近日,特斯拉发布了第三季度财报。数据显示,特斯拉在今年第三季度创造了多项纪录,获得有史以来最好的净利润、营业利润和毛利率。数据显示,今年第三季度,特斯拉实现营收137.6亿美元,同比增长57%;实现GAAP营业利润20亿美元,营业利润率为14.6%,连续9个季度盈利;GAAP净利润为16.18亿美元,同比增长389%,公司汽车业务毛利率达30.5%。值得关注的是,特斯拉在三季度投资者交流会上表示,特斯拉正在全球范围内将所有标准续航版电动车都改用磷酸铁锂 (LFP) 电池。受此消息影响,A股磷酸铁锂概念板块于10月21日出现大幅飙涨。其中,富临精工(300432.SZ)大涨8.64%,德方纳米(300769.SZ)盘中大涨逾5%,股价创下历史新高。截至10月22日收盘,富临精工报46.36元/股,上涨3.23%;德方纳米股价报540.42元/股,下滑0.66%。此外,磷化工板块也于近两日持续走强。截至10月22日收盘,清水源(300437.SZ)涨停,股价报收于28.4元/股;六国化工(600470.SH)涨停;安纳达(002136.SZ)、司尔特(002538.SZ)盘中涨停, 云天化(600096.SH)涨逾3%。值得注意的是,清水源近日连续走高,10月18日至今的五个交易日股价已累计大涨近90%。特斯拉带动相关概念股大涨对于特斯拉扩大磷酸铁锂电池使用范围,西部证券分析表示,随着磷酸铁锂重回锂电正极材料主流,预期至2025年,其国内需求将超100万吨,且远期市场仍将维持较高速度的增长。在此背景下,需求将延“磷酸铁锂-磷酸铁-高纯磷酸和工业一铵-黄磷及磷肥-磷矿石”产业链向上游传导。“就中国市场而言,预期到2025年磷酸铁锂总需求量预计将突破200万吨,复合增长率将超50%,是未来发展速度最快的产业之一。如果全球的新能源汽车电池都开始转向磷酸铁锂,那么磷酸铁锂的市场空间会更大,发展速度会更快。” 东亚前海证券方面预测,新能源汽车动力电池的磷酸铁锂需求预计超过127万吨,储能电池需求预计超过73万吨。值得一提的是,目前全球最大两家磷酸铁锂电池生产商是宁德时代和比亚迪,特斯拉已经在向宁德时代采购磷酸铁锂电池。从2020年7月开始,宁德时代就向特斯拉上海工厂供应磷酸铁锂电池。在今年6月底,特斯拉再次与宁德时代签订协议。协议约定,宁德时代将在2022年1月至2025年12月期间向特斯拉供应锂离子动力电池产品,具体的采购情况特斯拉以订单方式确定,最终销售金额须以特斯拉发出的采购订单实际结算为准。有迹象显示,宁德时代也在加速对磷酸铁锂材料的布局。继320亿元的邦普一体化电池项目落户宜昌后,10月18日,宁德时代又投资了一家磷酸铁锂材料公司。而在几年前,宁德时代还入股了国内磷酸铁锂材料头部企业之一的湖南裕能,后者创业板IPO已于近日获深交所受理。同时,宁德时代还与另外一家磷酸铁锂材料头部企业德方纳米有深度合作,双方今年1月约定在四川省宜宾市江安县投建“年产8万吨磷酸铁锂项目”,项目总投资约18亿元。此外,据财联社报道称,在宾夕州兰卡斯特 ( Lancaster ) 建有磷酸铁锂电池工厂的比亚迪,也有望获得特斯拉电池订单。据悉,上述比亚迪工厂距离特斯拉弗里蒙特工厂仅500英里左右,目前产能仅1GW,但可通过对产线的升级改造满足特斯拉前期对磷酸铁锂电池的需求。报道中援引知情人士的消息称,“比亚迪已获得了特斯拉10GWh的订单”。对于这一说法,比亚迪方面表示“不予置评”。装机量连续超越三元锂电池今年以来,凭成本低廉、安全性强等优势,磷酸铁锂电池成功对三元锂电池实现“逆袭 ”,获得了越来越多车企的青睐。在今年9月30日工信部最新发布《新能源汽车推广应用推荐车型目录》(2021年第9批)中,共有52款新能源乘用车入选,其中搭载磷酸铁锂电池车型25款,占比48%。实际上,自今年5月份开始,磷酸铁锂电池首先在产量上重新反超三元锂电池,随后又于7月份在装车量上对其实现超越。中国汽车动力电池产业创新联盟发布的数据显示,今年7~9 月,磷酸铁锂电池在动力电池市场所占比重也逐月提升,占比分别为53.8%、56.9%、58.3%;到9月份,磷酸铁锂电池的产量已经是三元锂电池的1.4倍,装机量为1.6倍。有观点认为,两者差距的不断拉大,呈现出磷酸铁锂电池对三元锂电池加速替代的趋势。“磷酸铁锂的循环性能更好,充放电循环次数可以达到3500次~4000次左右,而三元锂的充放电循环次数为1500次~2000次左右。使用寿命长,加之磷酸铁锂能量密度不断提升之后,优势更为明显。同时,在补贴退坡和三元锂电池原材料钴、锂、镍大涨的情况下,车企改用磷酸铁锂以谋降本增效,也是磷酸铁锂电池获得更多机会的主要原因。”隆众资讯钴行业分析师赵超表示。据华安证券测算,磷酸铁锂的使用成本约为0.08元/Wh,相比三元正极材料可以节省0.15元/Wh~0.21元/Wh,对应降低成本65%~72%。在现行补贴政策下,带电量55kWh、续航405公里的三元电池替换为磷酸铁锂电池,成本可下降0.46万元~0.56万元。“目前磷酸铁锂被广泛使用的主要原因在于,磷酸铁锂的价格相对三元锂来说能够低20%左右。另外,从长期来看,大家不希望三元锂电池的增长把镍的需求拉得太高,而前期也是担心钴的供应会不足。磷酸铁锂与三元锂均衡发展对资源压力会相对小一点。”全国乘用车市场信息联席会秘书长崔东树表示。

作者: 董天意 详情
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锂电池安全问题及失效分析

锂电池容易发生起火爆炸等事故,本质上是由于其有机材料体系造成的。锂电池在使用或储存过程中会出现一定概率的失效, 包括容量衰减(跳水)、循环寿命短、内阻增大、电压异常、析锂、产气、漏液、短路、变形、热失控等, 严重降低了锂电池的使用性能、一致性、可靠性、安全性。对锂电池失效进行准确诊断并探究其失效机理是锂电池失效分析的主要任务, 对锂电池性能提升和技术发展也具有深远意义。一、锂电池安全问题表现二、锂电池失效产生途径途径1:途径1主要与锂离子电池的内部短路有关。锂离子电池的内部短路是其安全问题的最重要诱因,大部分的安全问题都是由于内部短路引起的。内部短路是电池内的正负极短路,一般是由生产过程中混入的金属杂质、电极金属箔在剪切时造成的毛刺、使用过程中形成锂枝晶以及受到挤压等意外机械应力引起。内部短路时会产生大量的热,从而引起安全问题,内部短路对电池电压和温度的影响见图1。图1 内部短路对电池电压和温度的影响在大多数情况下,锂离子电池内部短路引起的安全问题表现为着火和爆炸危险,而普通的过热危险一般被认为是可以接受的危险。途径2:途径2主要与电路故障有关,如图2所示。为了对锂离子进行充放电管理及安全保护,在使用电池的宿主设备或适配器中需要设计充放电管理电路,在部分设备内还有放电的负载电路。图2 可能会出现故障的电路为了对锂离子电池进行保护,在封装过程中需要在电池组中加入保护电路板。这些电池组内部的或外部的电路都有可能出现故障,进而引起电池的过压充电、过度充电、过度放电、外部短路、过载等电应力条件,这些条件也可能会导致过热、着火、爆炸等危险。在电应力条件中,过压充电和过度充电会产生剧烈的副反应,产生大量的热,从而导致热失控;过度放电会导致电池的电压低于厂商规定的放电截止电压,此时的副反应主要为电解液的分解,产生大量的气体导致外壳鼓胀破裂引发漏液;外部短路和过载则会使放电电流变大,从而使电池内部温度或者外部导体的温度剧增,引发热失控。途径3:途径3主要与误用、滥用有关。误用和滥用包括在高温下使用或存储(如在车内)、用户使用了错误的充电器(过压充电)、极性反接充电、在携带过程中电池端子被外部的导体(金属、溶液等)短路。这些误用和滥用都可能造成电池发出大量的热,甚至造成热失控。途径4:途径4主要与电池外壳破裂有关。引起外壳破裂的诱因包括内部和外部应力。内部应力是指过度放电等副反应造成的内外压差;外部应力是指运输、使用过程中的正常的或者意外的机械应力,如振动、加速度冲击、跌落等造成的外壳破裂。外壳破裂会使内部的电解液泄漏,从而引起危险。途径5:途径5主要与一致性有关。在由多节电池(电芯)通过串联、并联以及串并混联构成的电池组中,电池之间的内阻、开路电压、容量的一致性会造成对电池组内部的某一电池或电池并联块的过压充电、欠压放电等,从而引起安全问题。三、锂电池失效分析介绍国家标准GB3187-82中定义:“失效(故障)——产品丧失规定的功能。对可修复产品,通常也称为故障。”锂电池的失效是指由某些特定的本质原因导致电池性能衰减或使用性能异常。锂电池的失效主要分为两类:一类为性能失效, 另一类为安全性失效,如图3所示。性能失效指的是锂电池的性能达不到使用要求和相关指标,主要有容量衰减或跳水、循环寿命短、倍率性能差、一致性差、易自放电、高低温性能衰减等;安全性失效指的是锂电池由于使用不当或者滥用,出现的具有一定安全风险的失效,主要有热失控、胀气、漏液、析锂、短路、膨胀形变等。图3 常见锂电池失效的分类失效分析的诞生伴随失效现象,以判定和预防其发生为目的。失效分析是一种判断产品失效模式、分析失效原因、预测或预防失效现象的技术活动和管理活动。人们对锂电池的使用性能指标提出了更高的要求,尤其凸显在体积/质量能量密度、功率密度、循环寿命、成本、安全性能等方面。例如在《中国制造2025》中提到了能量型锂电池比能量大于300W·h/kg,功率型锂电池比功率大于4000 W/kg的发展目标。图4为1990-2025年锂离子电池能量密度发展路线图。为了满足市场的需求,提高电池的性能与安全性,缩短新体系研发周期,开展锂电池失效分析是十分必要的。图4 1990—2025年锂离子电池能量密度发展路线虽然产品的诞生伴随着失效,但失效为人们所认知是从失效现象开始, 所以失效分析工作要始于失效现象。首先应从锂电池失效现象着手,锂电池失效现象是锂电池失效分析的第一步, 是最直接最重要的失效信息之一。若没有充分掌握和分析锂电池失效的信息,则不能准确获取锂电池失效的根本原因,因而不仅不能提供建设性建议或可靠性评估。失效现象分为显性和隐性两部分。显性指的是直接可观测的表现和特征,例如失效现场出现并可通过粗视分析观察到的表面结构破碎和形变,包括起火燃烧、发热、鼓胀(产气)、变形、漏液、封装材料破损及畸变、封装材料毛刺、虚焊或漏焊、塑料材质熔化变形等。隐性指的是不能直接观测而需要通过拆解、分析后得到的或者是模拟实验中所展现的表现和特征,例如通过实验室拆解检测到的微观失效,以及模拟电池中电学信息等。锂电池失效过程中常有的隐性失效现象有正负极内短路、析锂、极片掉粉、隔膜老化、隔膜阻塞、隔膜刺穿、电解液干涸、电解液变性失效、负极溶解、过渡金属析出(含析铜)、极片毛刺、卷绕(或叠片)异常、容量跳水、电压异常、电阻过高、循环寿命异常、高/低温性能异常等。失效现象的范围常常会与失效模式的范围有交集,失效现象更偏向对现象的直接描述,属于对失效过程的信息收集和描述;失效模式一般理解为失效的性质和类型,是对失效的归类和划分。锂电池失效现象是电池失效表现的大集群,对其进行定义和分类是十分必要的。失效是失效原因的最终表现,也是失效原因在一定时间内叠加失效现象的结果。失效分析的重要任务之一是对失效原因进行准确判定。常见的锂电池失效原因有活性物质的结构变化、活性物质相变、活性颗粒出现裂纹或破碎、过渡金属溶出、体积膨胀、固体电解质界面(SEI)过度生长、SEI分解、锂枝晶生长、电解液分解 或失效、电解液不足、电解液添加剂的失配、集流体腐蚀或溶解、导电剂失效、黏结剂失效、隔膜老化失效、隔膜孔隙阻塞、极片出现偏析、材料团聚、电芯设计异常、电芯分容老化过程异常等。图5展示的是锂电池内部失效情况。从锂电池失效原因研究内容可将其分为外因和内因。其中外因包括撞击、针刺、腐蚀、高温燃烧、人为破坏等外部因素;而内因主要指的是失效的物理、化学变化本质, 研究尺度可以追溯到原子、分子尺度, 研究失效过程的热力学、动力学变化. 锂电池的失效归根结底是材料的失效。材料的失效主要指的是材料结构、性质、形貌等发生异常和材料间失配。例如,正极材料因局部Li+脱嵌速率不一致导致材料所受应力不均而产生的颗粒破碎,硅负极材料因充放电过程中发生体积膨胀收缩而出现的破碎粉化,电解液受到湿度温度的影响发生分解或变质,石墨负极与电解液中添加剂的碳酸丙烯酯(PC)发生的溶剂共嵌入问题, N/P(负极片容量与正极片容量的比值)过小导致的析锂。图5 锂电池内部失效情况锂电池的失效原因并不总能与失效一一对应, 存在“一对多”、“多对一”和“多对多” 的关系。某一失效原因可能在时间跨度中有不同的表现,例如充放电制度异常导致大电流充放电,最开始可能会表现出极化较大,中间阶段会因锂枝晶的析出导致内短路,随后伴随着锂枝晶的分解与再生,最后可能会出现热失控。某一失效原因可能会发生多种截然不同的失效,例如局部过渡金属的析出,可能会产生气体,形成鼓胀的失效表现,但也可能因为内短路形成局部发热,进而导致隔膜收缩,引起大面积的热失控。某一个失效现象可能对应着多种失效原因,例如容量衰减究其失效机理有材料结构变化、微结构破坏、材料间接触失效、电解液失效或分解、导电添加剂失效等。失效分析分为两个方向:其一为基于锂电池失效的诊断分析,是以失效为出发点,追溯到电池材料的失效机理,以达到分析失效原因的目的;其二为基于累积失效原因数据库的机理探索分析,是以设计材料的失效点为出发点,探究锂电池失效发生过程的各类影响因素,以达到预防为主的目的。锂电池的诊断分析以锂电池失效为出发点,根据电池的失效表现,对电池进行电池外观检测、电池无损检测、电池有损检测以及综合分析。面对实际案例时,需要根据不同情况对分析流程及测试项目进行调整和优化。以容量衰减电池失效分析为例(如图6所示),结合失效表现和使用条件细化失效行为,并提供相应分析侧重点。如正常循环衰减,则后期分析注重于材料结构变化、SEI过度生长以及析锂等因素。图6 某款电池容量衰减失效分析流程通过对失效电池外观检查, 确定是否存在外部结构变化或电解液外漏等因素。无损检测主要包括微米X射线断面扫描(XCT)和全电池电化学测试。通过无损检测分析的结论,进一步确认内部结构变化情况、量化失效行为、选择测试项目、调整分析流程。例如,对比图7中某款 LiFePO4/C失效电池和新鲜电池全电池充放电曲线分析显示放电容量衰减21%,进一步对充放电曲线处理得到容量增量(IC)曲线,根据曲线峰位整体向高电位移动,表明存在材料结构变化引起锂脱嵌难度增加,结合3.27V和3.32 V处更为明显的峰强变化,表明该电池容量衰减主要是由于活性锂源损失及活性材料结构破坏,并且进一步佐证了分析侧重点。图7 某款LiFePO4/C失效电池和新鲜电池全电池(a)充放电曲线及(b)对应放电曲线的IC曲线所谓电池有损检测是指通过电池拆解、极片观察及材料测试分析来确定正负极片、活性材料以及隔膜等因素在电池失效中的作用。其中材料的测试分析则以物化性能和电化学性能测试为主。例如对上述LiFePO4/C失效电池极片进行扫描电子显微镜(SEM)形貌测试结果显示正极材料有明显的结构破坏,X射线衍射(XRD)结构谱图中18.5?和31?峰强的增加揭示了Fex(POy)相的增加,即正极材料存在相变现象(如图8所示)。对极片表面进行X射线光电子能谱(XPS)分析,以及对极片进行半电池测试则能够定性和定量分析极片表面SEI和容量损失。最后总结得出定性或定量的失效原因,并提供分析报告。锂电池失效机理研究是通过大量基础科研,以及构建合理模型和验证实验, 准确模拟分析电池内部复杂的物理化学反应过程, 找出电池失效的本质原因,构建失效原因数据库。电池机理分析可能会从不同角度去开展,包括设计材料角度和设计失效角度。图8 某款LiFePO4/C失效电池和新鲜电池极片 (a) SEM 照片; (b)XRD谱图以材料体系为出发点,设计不同的变量分别对电池或材料的失效机理进行研究(如图9所示)。其中,以材料体系为出发点的机理分析工作常以基础科研的形式进行,此类工作在科研院校中居多。需明确实验目的,如“对比研究某材料体系常温下高倍率充放电的容量衰减机理”,“研究某款电解液添加剂对电池高温循环性能的影响”等。设计实验流程,并通过制备电池,模拟电池使用环境或使用条件以达到预期失效的目的。对失效电池进行逆向解析, 结合材料体系分析电池失效机理。图9 锂电池失效机理研究流程示意图除了失效分析流程的设计外,锂电池失效分析主要步骤还包括失效信息采集、失效机理研究、测试分析手段等内容。采集锂电池的失效信息,包括直接失效现象、使用环境、使用条件等内容。虽然失效分析工作内容主要包括明确分析对象、收集失效信息、确定失效模式、研究失效机理、判定失效原因、提出预防措施,但失效分析不应局限于以找出产品失效的本质原因为目的,应引发到对技术管理方法、标准化规范、失效现象深层次机理的思考, 以及融入大数据和仿真模拟等新思维。失效分析的最终目的是确定准确的失效模式,定量分析准确的失效原因,尤其是理清失效机理,积累失效分析数据库,完成“失效现象-失效模式-失效原因-改进措施-模拟实验”完整数据链以及“原始材料-制备工艺-使用环境-梯度利用及拆解回收”全寿命周期的失效研究。现阶段,正在构建“锂电池失效数据库”。未来,锂电池失效分析将实现电子化和智能化,通过采集失效现象,结合“锂电池失效数据库”,给出失效机理初步预测以及合理、高效的测试分析流程、在此过程中,还需要解决很多困难,例如: 优化失效分析流程、提供测试分析技术、攻克测试技术难点、规范测试分析方法等。四、失效分析难点锂电池失效原因与失效之间并不是简单的“一对一”模式,还有“一对多”、“多对一”、“多对多”等多维关系。此外,引起锂电池失效的原因分为内因和外因,可以是来自组成材料本身的结构、物化性质的变化,也可以是设计制造、使用环境、时间跨度等复杂因素。因此,锂电池的失效原因和失效之间的构效关系十分复杂(如图10所示)。例如,正/负极材料的结构变化或破坏,都会产生容量上的衰减、倍率性能下降、内阻增大等问题;隔膜老化、刺穿是电池内短路的重要因素;电池的设计,极片涂布、滚压、卷绕等过程都直接与电池容量及倍率性能的发挥密切相关;高温环境会导致电池电解液发生分解变质,也会引起容量衰减、内阻增大、产气等问题。故想用单一失效原因去描述并剖析失效是不正确的,且需要用定量角度剖析多种失效原因在某一阶段的影响权重和主次关系,才能对失效电池进行准确的评估,并针对性地提出合理的措施。图10 锂电池使用条件、失效原因及失效现象的关系图锂电池本身就是属于现代控制论中的灰箱(灰色系统),即对其内部物理、化学变化机理及热力学与动力学过程不是完全了解。众所周知,锂电池主要由正极材料、负极材料、隔膜、电解质、溶剂、导电剂、黏结剂、集流体、极耳等组成。电池制备流程包含前段、中段、末段三部分,包括打浆、涂布、烘干、辊压、分条、配片、模切或卷绕、入壳、极耳焊接、注液、封口焊接、化成分容等步骤。图11展示了锂电池常见的制备过程, 图中描述了各个生产过程中存在的影响电池使用性能的因素。但各个关键材料之间并不是独立存在的,各个制备步骤也不是独立存在,它们之间是相互关联、相互影响的,且会因应用领域的改变而发生较大变化。图12表示电池材料性质与性能的关系,目前常见的锂电池正极材料有LiCoO2,LiFePO4,LiMn2O4,Li2MnO3-LiMO2,LiNixCoyAl1?x?yO2, LiNixCoyMn1?x?yO2, LiNi0.5Mn1.5O4等。常见的锂电池负极材料有天然石墨、人造石墨、中间相碳微球MCMB、Li4Ti5O12、软碳、硬碳、硅负极、SiOx-C负极、金属锂、复合金属锂等。根据不同的使用环境和要求, 选择不同的正负极体系,配以适当的电解液体系及其他辅助材料,在合适的制备流程下,做成满足使用需求的各类形式锂电池。合格的锂电池会应用到各行各业,尤其在电动汽车、船舶、航天航空等领域。从材料制备到产品使用的过程充满着可变性、复杂性,因此,对锂电池失效分析不能仅局限于电池关键材料的失效,同时要对材料结构、合成加工、性能设计、制造流程、服役情况、失效表现等进行综合考虑。图11 锂电池常见制备过程设计的影响因素图12 电池材料性质和电池性能的关系除了上述难点之外,还存在一些技术难点,包括对锂电池材料失效的分析需要使用到样品收集/筛选技术、样品转移技术、合理准确的表征分析技术。在对样品进行收集和筛选之前,对不同规格的电芯进行合理有效的拆解十分重要。现阶段多为手动拆解或半自动化拆解,拆解过程中存在短路、破坏关键材料等隐患。电池内产气和电解液的收集仍然存在一定困难,尤其在产气收集过程中容易引入杂质气体,剩余电解液量过少导致不易收集以及测试困难。绝大多数锂电池材料对空气敏感,尤其对空气中的水分和氧分。这也对样品的转移技术提出了一些要求。图13 常见测试分析设备的样品转移盒中国科学院物理研究所失效分析团队多年来从事相关研究工作,努力发展的全自动电池拆解仪器目前处于试用阶段,发展了针对不同型号电池的气体收集装置,以及发展了常规测试设备的气氛保护壳或样品转移盒(如图13所示)以实现样品转移和测试过程中的惰性气氛保护。图14展示了锂电池内部各类失效常规的表征分析技术,分别从电极和材料两个角度讲解了电极表面覆盖膜、颗粒表面覆盖膜、材料孔隙堵塞、材料接触失效、颗粒破碎、过渡金属溶出与迁移等失效的表征技术。而在更为微观的原子层面的材料失效表征,以及三维成像表征方面仍然存在不足。因此,一些原位实验技术、同步辐射技术、中子衍射技术、重构成像技术、纳米CT、球差电镜等也被引入到锂电池失效分析中, 揭示了更深层次的失效机理。但失效分析并不是以高端表征分析手段为噱头,而是根据失效问题进行严格、完备的逻辑分析后, 制定合适的分析流程,采用必要的表征分析手段。图14 常见电池内部失效点的表征分析技术五、规范测试分析方法不同的分析小组采用同样的测试分析技术,实验结果会有一定的差异,即使是同一分析小组在后期重复性实验中,得到的实验结果也会存在差异。失效分析最终目的是提出关键性解决措施,实验结果的差异会让解决措施差之毫厘谬以千里。这些问题并不局限在锂电池失效分析中,而广泛存在于机械工程、汽车工程、航空工程等其他领域的失效分析中。因此,标准化分析流程成为了必然的趋势。除了常规的材料物化分析技术之外,材料预处理、转移环境以及数据分析的规范化, 对准确分析材料、认清失效机理都是必要的。例如,测试样品的预处理会影响检测结果准确性,样品的气氛保护、电解液/气体的收集环境、电极材料混合物的分离均与测试结果和分析结论息息相关。现阶段,不同厂家的材料体系、电池型号、制备方法和流程都存在一定的差异,其电化学性能、物化性能及安全性能都受到直接影响,这给失效分析带来了更多的变量和不确定性。现行的锂离子电池测试标准多针对电池单体或电池包等产品的安全性及电性能的测试,如IEC 61960, JIS-C-8711主要侧重于锂离子电池的电性能测试;IEC62133, UL2054, UL1642 和JISC-8714等标准主要侧重于电池产品的安全性能的测试标准。国内现行多款测试分析标准,多数以材料为出发点,涉及材料性能和含量的测定方法,如表1所列。此外,针对电池组和电池包的 GB/T 31467《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统》,以及针对单体电池制定的GB/T 18287《移动电话用锂离子蓄电池及蓄电池组总规范》包含了部分安全检测和性能测试项目。表1 国内现行锂电池相关标准锂电池的机理分析主要在高校和研究所开展,其从基础科学的角度,对锂电池失效问题进行分析研究,在测试分析技术方面有着丰富的经验。大量的先进测试表征技术应用到锂电池的测试分析中,如中子衍射、纳米CT、球差电镜以及原位检测技术等,这为更加精准地分析材料层面的失效机理提供了支持。如图14所示,Xu等采用原位透射X射线成像技术深层次地研究了软包电池中LiCoO2材料的形貌结构失效与化学元素分布之间的变化关系以及相关的失效机理;Finegan等采用原位高频X射线断层扫描仪结合热成像技术,“原位”可视化地研究了两款商业电池在不同条件引起的热失控过程中内部结构和热动力学的变化,为研究和预测热量生成和消散的关键因素提供了技术支持;中国科学院物理研究所Gong等在球差透射电子显微镜的基础上,发展了原位技术,从纳米层级实时观测和分析电池材料脱嵌锂过程,对电池材料的失效机理研究提供了重要的技术保障。电池企业及材料企业各自开展锂离子电池失效分析的研究,但多偏重于电池制造工艺和材料的研发制备,以提高电池性能、降低电池成本为直接目标,多采用大量正向验证实验,并累积了丰富的经验和方法,但在逆向解析和精准分析方面存在经验和技术仍有欠缺的问题。出于效率和效益的角度考虑,相关企业更希望在现有常规测试技术的基础上发展具有高效性、准确性和普适性的失效分析方法,这对设计测试分析流程提出了更高的要求。(来源:锂电池失效分析与研究进展 作者:王其钰 、李泓等 储能科学与技术)

作者: 王其钰 李泓等 详情
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西安交大科研人员在高比能锂离子电池研究领域取得新进展

汽车产业是国民经济的重要支柱产业,也是体现国家竞争力的标志性产业。新能源汽车基于驱动技术的重大转型,是汽车产业对能源安全、气候变化和结构升级的重要突破口。近年来,以电动汽车为代表的高新技术领域对锂离子电池的能量密度、使用寿命提出了更高的技术需求,亟需开发新型高比容电极材料,解决续航里程焦虑问题。硅负极理论容量高达4200 mAh/g,十倍于传统石墨负极,被认为是新一代高比能锂离子电池负极的理想选择。然而硅负极在充放电过程中存在着巨大的体积膨胀(>300%),由此产生的内应力易导致硅颗粒的严重粉化和界面膜的不稳定,严重阻碍了其实际应用。设计新型聚合物粘合剂用于硅负极被认为是一种缓减其体积膨胀、维持其结构稳定的有效方法,受到了研究人员的广泛关注。然而,目前已报道粘合剂易在大应力下产生分子链滑移,引起电极结构破坏,最终导致电池容量快速衰减。梯度氢键粘合剂的能量耗散次序示意图近日,受天然抗疲劳肌联蛋白高效应力耗散现象启发,西安交通大学宋江选教授团队报道了一种梯度氢键聚合物粘合剂用于解决高比容硅基负极大体积膨胀导致的应力破坏。研究人员利用具有超支化结构的单宁酸和聚(丙烯酸-co-2-羟乙基丙烯酸酯)构建了具有高效应力耗散功能的水系粘合剂。当应用于硅基负极时,该体系存在的多级氢键(-2.88 kcal mol-1~ -10.04 kcal mol-1)可以连续解离,高效地进行能量/应力耗散,从而避免了大应力导致的结构破坏,有效解决硅负极的大体积膨胀问题,显著提升其循环稳定性。所制备的2 Ah NCM/Si-C软包电池700次循环后容量保持率高达80.2%,有力地证明了该梯度能量耗散型粘合剂的实用性。研究人员进一步通过变温红外光谱、核磁共振等表征方法并结合有限元模拟揭示了梯度氢键的演化和能量耗散机制。相关成果发表在国际知名期刊《先进材料》(Advanced Materials)上,西安交通大学材料学院博士生虎琳琳为文章第一作者。在此基础上,团队进一步基于动态二硫键的交换作用发展了兼具自修复功能和应力耗散功能的双功能聚合物粘合剂,实现硅基负极裂纹的快速自修复,相关成果发表在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上。新型自适应智能粘合剂的开发为高比容电极材料的广泛应用奠定了坚实基础。上述成果均以西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为第一单位,通讯作者为西安交通大学材料学院宋江选教授,论文合作者包括材料学院Goran Ungar教授、邓俊楷教授、张启路副教授。论文表征及测试得到西安交通大学分析测试共享中心和材料学院分析测试中心的支持。该研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省重点研发计划、中央高校基本科研业务费专项资金和西安交通大学青年拔尖人才计划等资助。图片(来源:西安交大)

作者: 沈阳蓄电池研究所新闻中心 详情
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储能钠电池技术的挑战与前景

一、前言2017 年 10 月,国家发展和改革委员会、国家能源局等五部委联合出台了《关于促进我国储能技术与产业发展的指导意见》,指出加快储能技术与产业发展,对于构建“清洁低碳、安全高效”的现代能源产业体系具有重要的战略意义。这一政策的出台直接推动了“十三五”期间我国储能产业的蓬勃发展。随着“十四五”期间“双碳”目标的提出,2021 年 4 月,国家发展和改革委员会、国家能源局再次联合发布了第二部针对储能产业的国家级综合性政策文件《关于加快推动新型储能发展的指导意见(征求意见稿)》,明确提出到 2025 年,实现 3000万kW 的储能目标,实现储能跨越式发展;到 2030 年,实现新型储能全面市场化发展。《关于加快推动新型储能发展的指导意见(征求意见稿)》还指出,储能技术要以需求为向导,坚持多元化发展,这为储能技术的发展明确了目标和方向。目前,储能系统从发电侧、输配电侧到用户侧的一系列支撑服务逐渐成为弹性和高效电网的重要组成部分。较小型的分布式储能系统今后也将更广泛地在家庭、企业和通信基站中推广应用。我国储能呈现多元化发展的良好态势:抽水蓄能发展迅速,锂离子电池储能技术成熟度飞速提高,压缩空气储能、飞轮储能、超导储能和超级电容、钠硫电池、液流电池、铅蓄电池等储能技术研发应用加速,储氢、储热、储冷技术也取得了一定进展。其中,电化学储能(或二次电池储能)技术相对于水电、火电等常规功率调节手段具有较大技术优势:响应时间为毫秒级,跟踪负荷变化能力强,便于精确控制;对实施的地理环境要求较低;具有削峰填谷的双向调节能力。2021 年 4 月,中关村储能产业技术联盟(CNESA)发布的《储能产业研究白皮书 2021》显示,截至 2020 年年底,中国已投运储能项目累计装机规模 35.6 GW,占全球市场总规模的 18.6%,同比增长 9.8%,其中电化学储能的累计装机规模仅次于抽水蓄能,位列第二。目前,各种电化学储能技术的基本特征和成熟度各不相同,每一种技术都有不同的数量在全球不同的地点进行部署。包括锂离子电池、钠硫电池、钠 – 金属氯化物电池、液流电池和铅酸电池在内的 5 类电池技术已经被认为是较可靠的能源供应体系,在全球范围内有兆瓦级的装机规模。2017 年以来,锂离子电池急剧发展,占据了中国和美国储能市场绝大部分份额,技术成熟度不断提高。随着越来越多锂电储能系统的部署,安全事故的风险也随之增加,尤其是电池热失控导致的安全事故频发引起了人们的重视和担忧。2019 年,国家电网有限公司发布《关于促进电化学储能健康有序发展的指导意见》,意见强调要严守储能安全红线。不仅如此,锂等元素昂贵,地壳中含量少且分布极不均匀,对于长期规模化应用而言可能会成为一个重要问题。钠元素和锂元素有相似的物理化学特性,且在地壳中储量丰富,资源分布广泛,因此发展针对规模化储能应用的储能钠电池技术具有重要的战略意义,近年来得到研究者的广泛关注。已经在储能领域规模化应用的钠电池体系主要包括两种,即基于固体电解质体系的高温钠硫电池和钠 – 金属氯化物电池体系。它们的负极活性物质均为金属钠,更准确地被称为钠电池。钠离子电池通常指有机体系钠离子电池,由于其技术水平提升较快,成为极有前景的储能电池之一。目前全球从事钠离子电池工程化的公司已有 20 家以上。最近,中国科学院物理研究所与中科海钠科技有限责任公司联合推出的 1 MWh 钠离子电池光储充智能微网系统在山西太原投入运行。宁德时代新能源科技有限公司(CATL)近期也发布了他们的第一代钠离子电池,能量密度达到 160 Wh/kg。然而钠离子电池尚未在储能产业上大规模推广,其应用优势有待验证。水系钠离子电池具有环保、低成本、制造方便、安全性好、易回收等优点,但是存在电压窗口较低、电极材料副反应等严重影响寿命的问题。因此,本文主要针对大规模储能用安全性改善的钠硫电池和钠 – 金属氯化物电池储能钠电池体系进行综述和研究。二、储能钠电池技术概述(一)钠硫电池钠硫电池是一种基于固体电解质的高温二次电池,它以钠作为阳极,以渗入碳毡中的硫作为阴极,传导钠离子的 β"- 氧化铝陶瓷在中间同时起隔膜和电解质的双重作用 。它的电池形式为(–)Na(l) | β"-Al2O3 |S/Na2Sx(l)|C(+),其中 x=3~5,基本的电池反应是:2Na+xS ←→ Na2Sx。电池的工作温度控制在 300~350 ℃,此时钠与硫均呈液态,β"- 氧化铝具有高的离子电导率(~0.2 S/cm),电池具有快速的充放电反应动力学。钠硫电池以 Na2S3 为最终产物的正极理论比容量约为 558 mAh·g–1,在 350 ℃的工作温度下具有 2.08 V 的开路电压。钠硫电池一般设计为中心负极的管式结构,即钠被装载在陶瓷电解质管中形成负极。电池由钠负极、钠极安全管、固体电解质(一般为 β"- 氧化铝)及其封接件、硫(或多硫化钠)正极、硫极导电网络(一般为碳毡)、集流体和外壳等部分组成。通常固体电解质陶瓷管一端开口一端封闭,其开口端通过熔融硼硅酸盐玻璃与绝缘陶瓷进行密封,正负极终端与绝缘陶瓷之间通过热压铝环进行密封。钠硫电池拥有许多优良的特性:①比能量高。目前,钠硫电池的实际能量密度已达到 240 Wh/kg 和 390 Wh/L 以上,与三元锂离子电池相当。②功率密度高。用于储能的钠硫单体电池功率可达到 120 W 以上,形成模块后,模块功率通常达到数十千瓦,可直接用于储能。③长寿命。电池可满充满放循环 4500 次以上,寿命为 10~15 年。④库伦效率高。由于采用固体电解质,电池几乎没有自放电,充放电效率约为 100%。⑤环境适应性好。由于电池通过保温箱恒温运行,因此环境温度适应范围广,通常为–40~60℃。⑥电池运行无污染。电池采用全密封结构,运行中无振动、无噪声,没有气体放出。⑦电池原料成本低廉,无资源争夺隐患,结构简单,维护方便。(二)钠 – 金属氯化物电池钠 – 金属氯化物电池(也称 ZEBRA 电池)可与钠硫电池统称为钠-beta 二次电池,其结构与钠硫电池类似,负极是液态的金属钠,β"-Al2O3 陶瓷作为固态电解质,不同的是,ZEBRA 电池工作温度略低,为 270~320℃,正极部分由液态的四氯铝酸钠(NaAlCl4)辅助电解液与固态的金属氯化物组成,其中氯化镍的应用研究最为广泛。钠 – 氯化镍电池的基本电池反应是:2Na+NiCl2 ←→ 2NaCl+Ni, 300 ℃下开路电压为 2.58 V。与钠硫电池类似,钠 – 金属氯化物电池同样具有长寿命、库仑效率高、环境适应性好、无污染运行等特点。钠 – 金属氯化物电池的实际比能量偏低,为 110~140 Wh/kg,但仍是铅酸电池的 3 倍左右,而且还具有其他一些值得关注的优良特性:①高安全性。钠 – 金属氯化物电池具有短路温和放热和过充过放可逆等特点,确保电池在电气和机械滥用时的高安全性。②无钠组装。电池以放电态组装,仅在正极腔室装填金属粉体、氯化钠和电解液,制造过程安全性高。③高电压。开路电压较钠硫电池提高 20% 以上。④维护成本低。电池内部短路时特有的低电阻损坏模式大大降低了系统的维护成本。(三)储能钠电池生产制造的核心技术高温钠硫电池电芯的核心技术包括了 β"- 氧化铝精细陶瓷的烧制、电池密封技术、负极润湿保护管设计、正极外壳防腐蚀和正负极装填技术等。首先,β"- 氧化铝精细陶瓷的质量和一致性深刻影响电池的电化学性能和安全特性,是最为关键的一环。其次,任何一个密封部件的损坏都会导致正负极材料的蒸汽直接接触而发生反应,因此电池密封技术成为钠硫电池的核心技术之一。再次,熔融硫和多硫化钠对金属具有强腐蚀性,因此包括作为正极集流体的外壳在内的接液部件的防腐蚀技术也是钠硫电池实用化的关键。最后,电池正负极的有效装填及其与固体电解质之间界面的润湿层设计是电池高性能运行的必备要素。相对于钠硫电池,钠 – 氯化镍电池电芯无须对外壳进行防腐蚀处理,但是正极长循环稳定技术成为电池的核心技术之一。高温钠电池模组的核心技术包括了绝热保温箱技术、模组热管理技术、模组内 / 间阻燃技术以及电池管理系统与保护电路设计等。电池的高温运行环境对电池保温箱提出了较高的要求。绝热保温箱技术一方面需要保证电池在待机时的低电耗,另一方面还要保证保温箱轻量化,以提升电池整体的能量密度。由于电池放电模式下的化学反应为放热反应,此时模块内部将出现 22~35 ℃的升温,而充电过程中温度会下降到待机水平。长时间的升降温循环不仅考验电池密封材料的热机械性能,还对模块的热管理提出了快速响应的要求,否则可能造成温度无法及时复原。另外,模组内 / 间防火技术以及电池管理系统与保护电路设计对电池的长期安全运行也具有重要意义。三、储能钠电池的应用需求储能钠电池可针对极端环境(如高热、高寒、高盐腐蚀等)下的风能、太阳能等可再生能源发电企业配套大容量、安全可靠的储能系统;为载人潜艇、陆军战车、水下平台等提供动力,服务国防科技事业;为第五代移动通信技术(5G)通信基站、数据中心等室内用电大户提供备用电源,为国家的节能减排事业及“碳中和”战略做出贡献。储能钠电池的应用领域为锂离子电池技术提供有益补充,其主要的应用场景如下。(一)极端环境应用随着全球气候变暖,国内外 50 ℃以上的极端高温天气频繁,亚热带和热带地区更是如此。电池的高温运行需求逐渐受到重视。油气勘探的井下温度可超过 170 ℃,能耐受如此高温的电池很少,目前井下仪器的电能供应采用的是锂一次电池。军用电池需要适应多种恶劣的应用环境,被要求在 –50~70 ℃的温度范围内正常工作。作为下一代无线通信体系的重要组成,高空平台通信系统是位于平流层的高空平台向上连接卫星、向下连接低空无人机和地面节点,作为空中基站或中继节点,提供快速、稳定、灵活的应急通信系统。高空平台通信系统运载器是一个保持在 20 km 高度并停留 5 年时间的静止平台。运载器所需能源由太阳能电池板提供,对其所搭载的储能电池要求高比能(>110 Wh/ kg)、性能的高可靠性和稳定性(>5 年寿命和性能降低 <10%)和超低温运行(–55℃)。另外,海岛、近海等高盐雾环境也限制了大量电池体系的应用。研究表明,锂离子电池在无人机上的应用受到高低温环境的极大限制。电池正常使用温度范围是 –15~50 ℃。低温条件下,锂离子电池面临的锂枝晶问题和离子扩散迟缓问题会更加严重,高温条件则会加速锂离子电池阴极固液界面的副反应和电解液退化,引发严重的热失控。事实上,传统的液体电解质基二次电池难以满足极端高低温应用需求。具有较高的能量密度、10 年以上运行寿命和对环境温度不敏感等特性的固体电解质基钠硫电池和钠 – 氯化镍电池则被证明非常适合极端高低温的应用场景。在热带沙漠气候的阿拉伯联合酋长国,钠硫电池被认为是比锂离子电池更优异的储能技术。在日本,钠硫电池被选择成为火箭发射场的备用电源。ZEBRA 电池作为高低温下可靠耐用的二次电池,目前已成为井下设备电源的优选方案,同时也针对高空平台通信系统运载器开展应用示范。(二)高安全应用高安全应用场景指发生安全事故时难以止损或事故代价大的应用场景。近年来,随着大数据、物联网、云计算等技术的发展,大型数据中心的建设速度激增,运营规模也越来越大。然而,一方面,数据中心需要大量的电能来维持正常运营,电力成本成为数据中心的重要成本组成。通过智能微网的建设来降低能耗已成为各大数据中心运营公司降本增效的重要途径。另一方面,数据中心需要配备非常安全可靠的备用电源以应对不时之需。大型数据中心等室内储能或备用电源高安全应用场景对其储能系统的安全性提出了更高的要求。交通运输领域的危化品运输车、地下装载机等交通工具以及水下应用领域的载人潜水器、深海平台用电源等也对电源安全性提出了更高的要求。ZEBRA 电池作为一种电化学本征安全的电池体系,在高安全要求的领域具有其独特优势。它曾被选为英国和北约 LR7 型深潜救生艇的动力电源。2013 年,通用电气有限公司(GE)生产的 ZEBRA 电池成功地为 Coal River Energy 公司位于美国西弗吉尼亚州明矾溪的采矿铲车提供动力支撑。在储能安全越来越受重视的今天,ZEBRA 电池体系将会有更大的发展空间。(三)长时储能长时电化学储能能够更加灵活地以半天甚至几天的时间跨度来管理风能和太阳能的间歇性,将可再生能源转化为全天候资源,为无碳电网铺平道路。随着可再生能源份额的增长,更大的挑战将是在数周或数月的时间跨度上消除可再生能源产量的可变性。发展长时储能技术势在必行。近年来,锂离子电池在新型储能建设中占据绝对主导地位,但它们的供电持续时间很少能超过 4 h。虽然锂离子电池在技术上可以实现更长时间的放电,但是出于资源稀缺和安全性的考虑,将它用于长时储能的成本通常高于它的价值。钠硫电池已在全球范围内提供容量超过 540 MW/3780 MWh 的储能系统,显示了有效的调峰、负载均衡和节能减排的能力,被认为是最有效的额定输出 6 h 以上的长时电化学储能电池之一。同时,钠硫电池具有模块化扩展的特性,有潜力提供 8 h 以上或更长时的供电系统。意大利非凡蓄电池公司(FIAMM)生产的 ZEBRA 电池在欧洲的意大利、法国以及南美洲的圭亚那等地区部署了多个兆瓦级的储能电站。这些电站的运行情况证实用于大规模电化学储能的高安全性钠 – 氯化镍电池技术已经成熟。四、储能钠电池的国内外发展与应用现状(一)钠硫电池在国内外的发展与应用现状虽然钠硫电池早期在国内外航空航天和电动汽车等领域开展应用示范,但是钠硫电池的储能商业化运作始于 1983 年日本碍子株式会社(NGK 公司)和东京电力公司的合作,开发用于静态能量存储的钠硫电池储能系统。2002 年,NGK 公司正式量产钠硫电池,并通过东京电力公司开发储能系统投入商业运行,目前在全球运行了超过 200 个储能电站项目,4 GWh 以上的钠硫电池储能系统。然而, 2011 年 9 月,东京电力公司为三菱材料株式会社筑波厂安装的钠硫电池(NGK 生产)系统发生火灾,这一事件在一定程度上造成了业界对于钠硫电池安全性的担忧。其后,NGK 先对正在运行的钠硫电池电站的模组和系统进行安全隐患维护,并对新生产的电池在电芯层面和模块层面同时采取了多种提高安全保障的新措施。通过采取一系列应对举措后,从 2013 年开始,NGK 生产的钠硫电池在日本、阿联酋和欧洲等国家和地区持续有大型储能项目上线。2016 年 3 月,NGK 公司和九州电力株式会社共同推出的 50 MW/300 MWh 钠硫电池储能系统改善电力供需平衡的示范项目开始运行,是当时全球最大的大容量储能电站(见图 1a)。2019 年,NGK 在阿布扎比酋长国完成的一个项目使用了 108 MW/648 MWh 的钠硫电池储能系统,持续放电时间达 6 h。图 1b 显示的是应用于意大利南部高压电网的 34.8 MW 钠硫电池储能电站的局部照片。在意大利,钠硫电池的电芯和模块经过了严谨的风险评估,包括内源性短路和外源性火灾、地震、洪水、直接和间接闪电、蓄意破坏、高空坠落等滥用场景。评估结果显示,经过安全性提升的钠硫电池技术具有较高的安全可靠性。图 1 钠硫电池储能系统 / 电站的商业应用实例近些年,钠硫电池技术在日本以外的其他国家也得到了应用研究和推广,包括美国、中国、韩国、瑞士等。2006 年,由中国科学院上海硅酸盐研究所(SICCAS)与上海电力公司合作开展用于大规模储能应用的钠硫电池研究。SICCAS 开发的 30 Ah 和 650 Ah 两种规格钠硫单体电池具有良好的循环稳定性,寿命超过 1200 次。此后,一条年产能 2 MW 的 650 Ah 单电池中试生产线建成。2010 年上海世界博览会期间,中国科学院上海硅酸盐研究所和上海电力公司合作,实现了 100 kW/800 kW 钠硫电池储能系统的并网运行(见图 1c)。2011 年 10 月,上海电气集团与中科院上海硅酸盐研究所以及上海电力公司签订合资合同,成立上海电气钠硫储能技术有限公司,开始钠硫电池的产业化开发。2015 年,上海钠硫电池储能技术有限公司在崇明岛风电场实现了兆瓦时级的商业应用示范(见图 1d)。中科院固体物理研究所近年也突破了 β-Al2O3 陶瓷的制备技术,掌握了陶瓷烧结、陶瓷玻璃封接、金属与陶瓷连接等核心技术,目前处于钠硫电池组研制的中试阶段。除此之外,韩国浦项产业科学研究院(RIST)针对平板和管式钠硫电池进行较为系统的工程化开发。RIST 从 2005 年开始申请钠硫电池材料与制造的专利,目前持有 53 项以上相关有效专利。(二)钠 – 金属氯化物电池在国内外的发展与应用现状美国通用电气有限公司于 2007 年购买了英国 beta R & D 公司的 ZEBRA 电池技术,建立 “Durathon”电池品牌,经过 11 年研发,投入资金超过 4 亿美元。早期主要面向车用,图 2a 为装载 Durathon 动力电池的矿车。目前 GE 在全球多个国家和地区的电网和电信领域运行了总计 15 MW 以上、30 余个 ZEBRA 电池储能项目。图 2d 分别为 Durathon 扩展储能系统。2017年1月,超威电池与 GE 开展技术合作,合资成立浙江绿能(安力)能源有限公司,进军国内储能电池市场。2010年,与 GE 拥有同一技术源头的 MESDEA 公司和 FIAMM 成立新公司 FZ SONICK SA,并推出了 SONICK 商标的 ZEBRA 电池,主要应用在电动车、备用电源等领域。2015 年,FZ SONICK 的 ZEBRA 电池储能解决方案被德国航空和运输领域的跨国公司庞巴迪公司选中,为 Innovia Monorail 300 平台列车项目提供备用电源服务。图 2b 和图 2e 分别为 SONICK 电池应用于微网储能及其储能单元的情况。FZ SONICK 还为萨沃纳大学校园提供了智能电网储能系统。从2016年开始,德国弗劳恩霍夫陶瓷技术与系统研究所(IKTS)也在 ZEBRA 电池上持续投入。2019年3月,欧洲储能展会上,IKTS 展示其最新开发的“Cerenergy” 陶瓷钠 – 氯化镍高温电池。该型号的钠镍电池容量为5kWh,由 20 个单电池组成,每千瓦时成本将低于 100 欧元。2015年11月,作为 SunShot 聚光太阳能发电阿波罗计划的子计划,美国能源部提供犹他州盐湖城 Ceramatec 公司和乔治亚技术研究所总计 234.878 万美元经费支持,重点开发聚光太阳能高温熔盐钠盐蓄电模块,预计实现 92% 以上的蓄电效率目标。同时,美国西北太平洋国家实验室在美国能源部支持下持续开展平板型钠盐电池的产业化研发。在国内,从2014 年开始,中国科学院上海硅酸盐研究所在前期钠硫电池和钠镍电池的研发基础上,开展钠镍电池产业化的推进工作。2017 年,中国科学院上海硅酸盐研究所参股成立上海奥能瑞拉能源科技有限公司,开展钠镍电池产业化开发。如图 2c 和图 2f,目前该公司已完成年产100MWh 的钠镍电池工厂的全线调试,进入第一代产品的试生产阶段。图 2 钠 - 金属氯化物电池储能产品及其商业应用实例五、我国储能钠电池发展面临的挑战储能钠电池在电力系统和电信系统具有极大的应用优势,并得到全球储能市场的普遍认可,但是由于其技术难度大,目前储能钠电池的成熟技术在全球范围内仅由日本 NGK、美国 GE、意大利 FIAMM 等几家企业掌握,我国储能钠电池的发展还面临以下诸多挑战。(一)储能钠电池技术几乎被国外垄断近年来,中国科学院上海硅酸盐研究所在储能钠电池的相关领域开展了技术革新和示范应用,基本掌握了钠硫电池和钠镍电池的全套技术,形成了具有自主知识产权的储能钠电池完整技术路线,但是总体而言,我国自主知识产权储能钠电池的技术成熟度不高,规模化生产设备需要高代价的定制,尚未形成储能钠电池的成熟产品体系。超威集团引进美国 GE 的成熟技术,进行储能钠电池国产化的尝试也尚未在国内外市场打开局面,根本原因是我国储能钠电池的发展目前仍然只能依赖和引进日本和美国公司的技术,尚不具备独立开发新一代储能钠电池的能力,技术革新的速度无法应变市场的需求。(二)储能钠电池上下游产业链供给不足导致高成本储能钠电池的高温技术瓶颈极大地限制了涉足储能钠电池开发的研究院所和企业的数量,导致储能钠电池在产业链的推动上困难重重。经过测算, 1 GWh 钠 – 氯化镍电池生产线上生产电池的成本约为 1050 元 / 度电,当生产线产能提高至 10 GWh,电池成本可降至 800 元 / 度电以下。然而,目前储能钠电池的生产规模不足以带动上下游产业链的快速发展。NGK、GE 等公司同样面临电池成本偏高的困境。对我国而言,储能钠电池中钠硫电池的含耐腐蚀涂层的集流体外壳等零部件、钠 – 氯化镍电池的关键原材料 T255 镍粉(英国 Inco 公司)还依赖进口,国产化替代方案缺失。储能钠电池的中温运行环境对保温箱等下游供应的要求较高,但我国尚没有类似产品开发。储能钠电池上下游产业链供给不足成为推动储能钠电池技术发展和成本降低的一大障碍。(三)储能钠电池的评估检测标准和评估平台缺失1998 年,美国能源部国家可再生能源实验室就钠盐电池的健康状态、滥用安全特性和回收处理办法出具了说明书式的研究报告。2017 年, FIAMM SoNick 公司根据美国标准 UL 9540A 对 ZEBRA 电池产品进行了安全性测试,从单芯、模组和电池单元架三个层面进行了系统的安全性能评估。2018 年,电气与电子工程师协会(IEEE)出台了编号为 IEEE Std 1679.2—2018,标题为“静态储能应用中钠 -beta 电池的表征和评估指导”的指导性标准。该标准为静态储能应用的用户评估钠 -beta 电池的性能、安全性,以及进行合格评估测试和监管等问题提供了指导。这些研究报告和标准的建立很大程度上促进了美国和欧洲等国家和地区储能钠电池的规范化和市场化。由于我国储能钠电池的产业化处于初级阶段,相关评估检测标准缺失,相应的评估平台和评估机构尚不支持储能钠电池的性能和安全性评估,这也成为储能钠电池产业大步推进的障碍之一。六、对策建议(一)支持储能钠电池相关材料科学的研发和工程化技术攻关从国外的发展经验来看,储能钠电池最初的很多成果出自国家能源部门或能源用户部门牵头组织的应用研发和技术攻关。2020 年 1 月,教育部、国家发展和改革委员会、国家能源局联合制定了《储能技术专业学科发展行动计划(2020—2024 年)》(简称《行动计划》),旨在立足储能产业发展重大需求,统筹整合高等教育资源,加快发展储能技术学科专业,加快培养储能领域“高精尖缺”人才,破解共性和瓶颈技术,增强产业关键核心技术攻关和自主创新能力,以产教融合发展推动储能产业高质量发展。《行动计划》将为储能行业的发展注入强大的动力。提升我国自主知识产权储能钠电池的技术成熟度同样需要重视相关基础材料的研发,更重要的是从战略层面组织有研发基础的优质企业和科研院所合作开展工程化技术攻关,提供相关项目支撑,集中精力解决储能钠电池中存在的“卡脖子”问题和推进储能钠电池在国外经验基础上的升级换代,以期在短期内实现我国储能钠电池技术体系的成熟化发展。(二)推动储能钠电池相关上下游产业的聚集发展产业规模是储能钠电池发展的关键因素,形成一定体量的产业集群对于降低储能钠电池的制造成本,提高储能钠电池的市场竞争力至关重要。在提升储能钠电池的技术成熟度的中后期,储能钠电池相关上下游产业的聚集发展是储能钠电池真正走向应用市场的关键一环。引导社会资本,围绕技术创新链布局产业链,加强技术、资本与产业的融合,通过产业链合作及协同,提高资源利用效率,提升储能钠电池的市场竞争力。大型储能钠电池示范项目的规划和实施是推动相关上下游产业发展的一个契机,有望使我国储能钠电池的发展驶入良性循环的快速通道。(三)建立健全储能钠电池的相关标准以及推动高温钠电池评估平台的建设2018 年以来,国内外频发的起火事故给正在起步的储能产业浇了一盆冷水,也让储能的安全问题成为舆论焦点。有业内专家认为,储能事故并非是一个简单的技术问题,更多是标准的问题。标准是技术发展的总结,也需要政策法规从上而下的引导。国家能源局会同其他主管部门曾多次发文,力推储能标准化工作,要求建立起较为系统的储能标准体系。储能钠电池作为新型的储能技术,相关标准缺失的问题尤为突出,迫切需要建立健全相关检测和评价标准。如果我国以出台储能钠电池的相关行业标准,甚至能够出台发布国家标准,相信能在很大程度上推动储能钠电池的商业化发展。认证机构基于相关标准可以推动高温钠电池评估平台的建设,从而从政策上督促储能钠电池开发市场标准化、规范化,为其大规模应用、顺利与应用市场接轨打下坚实基础。

作者: 胡英瑛 吴相伟 温兆银 侯明 衣宝廉 详情
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宁德时代2023年实现批量生产,钠离子电池:姗姗来迟、正待起跑

7月29日,宁德时代举办了钠离子电池线上发布会。作为动力电池行业的引领者,宁德时代的一举一动都格外引人关注。此次宁德时代高调发布钠离子电池,随之而来的评价不一。有人表示,它将引领新的“风口”,促进多元化技术路线发展;有人认为,这里面或也涉及对资本市场的考量。计划2023年批量生产事实上,锂离子电池并非电池领域的新技术,早在上世纪80年代,其与锂离子电池就同时进入了科研人员的视野。在多重因素作用之下,锂离子电池得以大规模发展,并从消费电子逐步走向动力电池领域。“当时,钠离子电池的优势不突出,所受关注也并不高。”一位不愿透露姓名的业内人士对《中国汽车报》记者表示,随着电池技术的发展,钠离子电池近10年来取得了较大进步。比如,2018年,中科海钠就推出了首款钠离子电池低速电动车。据了解,宁德时代此次推出的钠离子电池优势比较明显。首先是取得了能量密度的重要突破。一般认为,钠离子电池能量密度为90~150Wh/kg,而宁德时代产品的电芯单体能量密度高达160Wh/kg,并计划将下一代钠离子电池的能量密度提高到200Wh/kg。目前,国内两家龙头企业中科海钠、钠创新能源的钠离子电池能量密度分别为135Wh/kg和120Wh/kg,英国Faradion公司产品的能量密度为140Wh/kg。第二是改善快充性能。宁德时代钠离子电池常温下充电15分钟,电量可达80%以上。第三是低温性能优异。在零下20℃的低温环境中,宁德时代钠离子电池也能拥有90%以上的放电保持率,系统集成效率可达80%以上。当前,钠离子电池仍处于产业化初期,动力电池企业纷纷布局相关技术与产能。宁德时代方面表示,计划2023年基本形成钠离子电池产业链。华阳股份今年4月发布公告称,全资子公司新阳能源拟投资新建“钠离子电池正极材料千吨级生产项目”、“钠离子电池负极材料千吨级生产项目”两个项目,总投资合计1.4亿元。英国FARADION公司、日本松下、丰田等国外企业也都在进行产业化探索。目前,全球开展钠离子电池业务的公司达20多家。广发证券的相关研究数据显示,2025年,国内钠离子电池潜在应用场景需求量为123GWh,以磷酸铁锂电池价格计量,对应537亿元左右的市场空间。为何此时“杀出重围”?在采访中,业内人士纷纷表示,在锂资源紧张与原材料涨价的大背景下,宁德时代推出钠离子电池恰逢其时。“目前,整个动力电池产业链都面临依赖锂资源进口的挑战,如果在钠离子电池上有所突破,将有效降低对锂资源进口的依存度。宁德时代在动力电池领域具有较高的代表性,其发布钠离子电池会提高整个行业对此的关注度,应该说起到了一个较好的带头作用。”中国汽车动力电池创新联盟副秘书长马小利在接受记者采访时表示,宁德时代对动力电池研发体系的布局很全面,一直在进行技术创新,此次推出新品说明在某些方面实现了对钠离子电池的技术突破。资料显示,我国80%以上的锂原料依赖进口,而且其不断攀升的价格也让行业承压明显。相比之下,钠资源储量非常丰富,而且提炼简单。据中科海钠测算,受益于更低的材料成本,钠离子电池较锂离子电池成本通常低30%~40%。“如果钠离子电池的产量达到一定规模,其成本有望降到磷酸铁锂电池的水平甚至更低。”马小利说。新能源和智能网联汽车独立研究员曹广平认为,宁德时代推出钠离子电池的大背景在于:“双碳”趋势需求下,全球锂资源有限,钠资源是较大补充。新能源汽车、电力储能、5G基站备用电源以及两轮电动车的快速发展,拉动锂电池需求飙升,造成了原材料(预期)涨价等市场供需不平衡的情况。除此之外,北方工业大学汽车产业创新研究中心研究员、汽车分析师张翔还补充道,作为上市公司,宁德时代推出钠离子电池或有资本市场方面的考量。此前,宁德时代将发布钠离子电池的消息一经发布,直接拉动其股价上涨。7月29日,宁德时代股票上涨6.05%,7月底市值达1.28万亿元,环比上升2.99%。同时,钠离子电池概念股也一路跟涨。7月29日,盛弘股份、湘潭电化、科瑞技术涨停,海目星、机器人等纷纷跟涨;7月30日早盘,钠离子电池概念股再现大涨,天能股份以20%的涨幅涨停。将成为动力电池补充路线在马小利看来,钠离子电池可以作为当前动力电池技术路线的补充,不过要想大规模商业化仍需跨过诸多挑战。比如,钠离子电池本身自重较重,作为动力电池还要在能量密度上实现突破。此外,钠离子电池的正负极、电解液等材料供应也尚未形成规模。“钠离子电池产业的发展需要下游市场的拉动,同时也应给予宁德时代等勇于实现技术突破的企业鼓励和认可。”她说。张翔告诉记者,钠离子电池最大的“硬伤”还是能量密度较低,达不到目前新能源汽车补贴的要求,因此在市场推广上具有一定的难度。另外,钠离子电池尚未实现商业化,许多数据仍来自实验室,技术待进一步发展和成熟。据介绍,宁德时代在电池系统集成方面开发了“AB电池解决方案”,即锂离子电池与钠离子电池混合共用,并进行不同电池体系的均衡控制,以此弥补钠离子电池在现阶段的能量密度短板,同时发挥出电池系统高功率、低温性能的优势。有业内人士指出,目前,钠离子电池非常适合的应用场景包括两轮车和储能领域。相对而言,铅酸电池寿命短、污染大,因此钠离子电池有望逐步实现对其的替代。中信证券的研报显示,在能源变革的大时代下,钠离子电池在资源丰富度、成本方面优势明显,未来几年随着产业投入的加大,技术走向成熟、产业链逐步完善,有望在储能等领域实现商业化应用,在一定程度上形成对锂离子电池、铅酸电池等成熟储能技术的补充。“只要有市场需求的电池,就有存在与发展的意义。”马小利强调。曹广平也表示,每一种电池都有自己的技术特点,而每一个应用领域又对电池提出了不同的技术要求。总体来看,未来行业将出现多种电池技术路线并行发展的局面。对于钠离子电池来说,其商业化前景还要综合考量技术突破、工艺难题攻克及综合性价比等方面的进展。政策层面也明确了未来钠离子电池在储能领域的发展方向。7月15日,国家发展改革委、国家能源局发布了《关于加快推动新型储能发展的指导意见》,提出加快飞轮储能、钠离子电池等技术开展规模化试验示范,以需求为导向,探索开展储氢、储热及其他创新储能技术的研究和示范应用。行业人士认为,钠离子电池未来有望加快应用于电网侧、用电侧和发电侧储能。

作者: 赵玲玲 详情
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钠离子电池时代要来了?

在智能物联网时代,大量的智能设备需要电池,从智能手机、智能手表、笔记本电脑到新能源汽车等,电池的续航时间、充电快慢、环境适应性等成为智能设备竞争的重要维度,目前在消费电子市场和新能源汽车市场锂离子电池处于“一统江湖”的主流地位。现在这样的格局有可能要发生改变了。7月29日,宁德时代创始人曾毓群在网上正式发布钠离子电池,并表示宁德时代钠离子电池具备低温性能、快充性能以及更强的环境适应性,未来将与锂电池共存发展。钠离子电池的时代要来了吗?钠离子电池有哪些特性?又将带给智能设备世界怎样的电力“动力”?每一种新技术能够得以生存并快速发展,都是因为拥有了比现存市场技术更优的差异化特点,这个定律放之四海。从目前来看,钠离子电池与锂离子电池的差异化在于低温性能和快充方面。按照宁德时代研究院副院长黄起森介绍,目前宁德时代开发的第一代钠离子电池,电芯单体能量密度为160Wh/kg,在当前处于全球最高水平;在常温环境下下充电15分钟,电量可达80%;即便是在-20°C的低温环境下,放电保持率仍然高达90%以上;同时,在系统集成效率上,可以达到80%以上;具有优异的热稳定性,并且超越了国家动力电池强标的安全要求。“总体来看,第一代钠离子电池的能量密度略低于目前的磷酸铁锂电池,但是在低温性能和快充方面具有明显的优势。特别是在高寒地区,高功率应用场景。” 黄起森说。其实,钠的化学性质,电池工作原理都和锂非常相似,在化学元素周期表中,钠元素与锂元素为同一主族,物理化学性质极为相似。甚至钠离子电池和锂离子电池连“命运改变人”都是同一“群族”,2019年诺贝尔化学奖颁给了美国的迈克尔·斯坦利·惠廷汉姆、约翰·班尼斯特·古迪纳夫以及日本吉野彰三位化学家,奖励他们“在发明锂电池过程中做出的贡献”。事实上,钠离子电池也是惠廷汉姆研发的,只是锂电池各方面优势突出并且发展神速,因此钠离子电池在商业上没有大规模普及。锂在电势、原子量、离子半径等基本性质上,相对而言都是比钠更好的材料。锂的原子量更低、离子半径更小,锂的理论质量比容量是钠的3.3倍,锂的理论体积比容量是钠的1.8倍;且锂的电位更高,比钠高出12%,锂材料的电池更具竞争优势。因此锂离子电池也更早大规模商业化。最近几年,钠离子电池之所以被高度关注,有几个关键原因,一是从总量上看,因为钠储藏量要比锂丰富,具有更好的发展可持续性。目前地壳中钠储量达2.74%,而锂储量仅为0.0065%,是锂资源的440倍,而且锂离子电池回收经济价值低。钠离子电池活性材料中不含昂贵的钴,使其具有更强的可持续性。二是从地区分布上,各个区域的锂储藏也不均匀。我国仅拥有世界锂资源储量的5.93%,锂矿大多位于青藏高原地区,开采难度大,致使我国锂矿对外依存度高。钠离子电池对我国减少锂资源对外依存度具有重要战略意义。三是钠资源提炼相当简单,钠离子电池大规模商用后,具有较大的成本优势。事实上,钠离子电池应用前景广阔,在电动车市场上,钠离子电池具有低成本、低能量密度、安全性强等特性,是铅酸电池更好的替代品。而且随着可再生能源大批量上网,电网侧与发电侧对储能的需求愈发强烈,为钠离子电池市场化应用提供土壤。目前来看,钠离子电池产业化商处于初级阶段,面临的主要挑战是成本优势不明显、工艺和产业链不成熟、核心电极材料和电解液规模化供应渠道缺失、缺少电池相关标准化等。不过,分析机构认为,钠离子电池具备产业化快速提升的潜力。钠离子电池与锂离子电池生产线、制作工序相似,随着锂电和上游材料企业入局,产业化进程会大幅提速。目前中国大约有20多家企业从事钠离子电池研发及上下游配套包括宁德时代、中科海纳、容百科技、深圳比克电池、欣旺达、华阳股份、沧州明珠、恩捷股份、中材科技、璞泰来等。相对于其他企业,据宁德时代透露其已解决了材料在循环过程中容量快速衰减这一世界性的难题,而宁德时代之所以能够解决这个难题,得益于模拟计算和设计仿真。据介绍宁德时代构建了高通量材料集成计算平台,在原子级别上对材料进行了模拟计算和设计仿真,对材料表面进行重新设计,解决了材料在循环过程中容量快速衰减的问题,使新材料具备了产业化的条件。按照黄起森介绍,在正极材料方面,宁德时代采用了克容量较高的普鲁士白材料,创新性地对材料体相结构进行电荷重排,解决了普鲁士白在循环过程中容量快速衰减这一核心难题;在负极材料方面,宁德时代开发了具有独特孔隙结构的硬碳材料,其具有克容量高、易脱嵌、优循环的特性;在电解液方面,宁德时代还开发了适配钠离子电池正极负极材料的新型独特电解液体系;在制造工艺方面,钠离子电池可以与目前的锂离子电池制造工艺和设备相兼容。宁德时代在发布会上透露,目前公司已经开始进行钠离子电池产业化布局,计划是到2023年要能形成基本产业链。分析机构的预测是在未来3~5年,钠离子电池产业链会基本形成,钠离子电池相关工艺、相应的电池管理系统、相关技术体系也会趋于成熟。

作者: 李佳师 详情
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钠电池是锂电池的良好补充,产业化开始加快

钠电池工作原理与锂电池类似,生产设备也基本兼容,材料体系有一定变化,钠电池凭借能量密度和循环性能的优势,有望在储能和两轮车等市场获得商业应用。在车用动力电池领域,钠电池优秀的低温、快充、安全性是对锂电池的补充,但能量密度和循环性能差距较大,不过宁德时代提出了动力电池中采用锂电池和钠电池混配辅以BMS升级的方案,有望推动钠离子电池在交通领域应用。钠离电池作为一种新的路线,其核心的原材料供应更大宗和普遍,有助于摆脱电池上游战略资源瓶颈,能更好的满足未来TWh时代电池技术多样化需求,是锂电池良好的补充,预计其规模的应用可能在2023年左右或以后。摘要钠电池简介。钠电池工作原理与锂电池类似,同时生产设备也基本兼容。不过材料体系有较大变化,正极一般采用普鲁士白和层状氧化物,负极选用硬碳,集流体均采用铝箔,隔膜和电解液没有大的变化。性能方面,钠电池在低温性能、安全性、成本(大规模量产后)方面具备优势,能量密度和循环性能均介于锂电池和铅酸电池之间。钠电池作为锂电池的补充,主要应用市场在储能等领域。钠电池的能量密度、循环寿命优于铅酸电池,同时具备较强的安全性和较低的成本。根据产业反馈,目前钠电池主要开始应用在储能和两轮车领域替代铅酸电池。在动力领域,钠电池优秀的低温和快充性能是锂电池的良好补充,但能量密度有一定差距,不过宁德时代提出在动力电池系统中将锂电池和钠电池混配并升级BMS的方案,可能会推动钠电池在车载市场应用。钠电池对保障供应链安全有战略意义。我国仅拥有世界锂资源储量的5.93%,且开发有一定难度,我国锂矿主要依赖进口,镍资源也主要在海外,资源供应可能是锂电池产业进一步壮大后将面临的潜在约束之一。而钠资源储量丰富、分布广泛,且更容易获取,钠电池的研发储备和产业化对保障我国电池产业战略资源供给安全具有重要意义。在未来TWh的电池生态中,钠电池应该会有一席之地。产业化可能在未来几年。国内具有比较成熟的钠电池生产研发能力的企业主要是宁德时代、中科海纳、钠创新能源。宁德时代的第一代产品单体能量密度达160wh/kg,系统集成效率达80%,零下20度容量保持率90%,在常温下充电15分钟电量达到80%,综合性能优异。目前国内钠电池产业化刚起步,供应链还没形成,钠电池材料主要依靠电池公司自身研发。随着产品迭代和提升,电池产业应用可能进一步加快,根据宁德时代估计,钠电池规模应用可能在2023年左右或以后。投资建议:继续推荐宁德时代,其余关注华阳股份(煤炭)、浙江医药(化工)、鼎盛新材(招商有色)。风险提示:钠电池技术升级和推广低于预期、成本下降幅度低于预期。1、钠离子电池简介1.1钠离子电池工作原理钠离子工作原理与锂离子电池类似。钠离子电池作为充电电池的一种,主要由正、负极、电解质、隔膜、集流体等组成。其工作原理是利用钠离子在正负极之间的可逆脱嵌从而实现充、放电的,与锂电池类似。钠离子电池的分类。钠离子电池可分为钠硫电池、水系钠离子电池、有机钠离子电池、固态钠离子电池。钠硫电池主要以金属钠作为负极、非金属硫作为正极、β-A12O3陶瓷管同时充当电解质和隔膜,是目前唯一同时具备大容量和高能量密度的储能电池。截止2020年,全球从事钠离子电池工程化的公司超过20家,包括松下、丰田等。2017年,我国首家钠离子电池公司中科海钠成立,依托中国科学院物理研究所的技术,目前在技术开发和产品生产上都初具规模。1.2 材料体系与锂电池有所不同相比锂电池,钠离子电池材料使用有差异。钠离子电池中,正极材料:使用钠离子的活性材料,常见的包括普鲁士蓝、铜铁锰或镍铁锰层状氧化物,需具有良好的电化学性、化学稳定性、热稳定性、安全性,以此保证较高的理论比容量和电池循环寿命;负极材料:由于钠的半径较大,并不能在石墨层中可逆的脱嵌,因此一般选择具备嵌入钠离子的能力强、体积变形小、扩散通道好、化学稳定性好等特点的硬碳材料。电解质和隔膜:可以沿用锂电池体系中的材料,但电解液中的六氟磷酸锂需要换成六氟磷酸钠。集流体:由于锂电池主要以石墨作为负极,铝箔作为负极集流体在低电位下易与锂形成合金,因此需使用铜集流体,而钠离子正负极均可使用价格较低铝箔作为集流体。1.3 钠资源储量丰富,成本有望继续下降钠资源储量丰富。钠资源储量丰富,地壳丰度可达2.74%,价格低廉且提炼简单。而锂储量仅0.0065%,主要分布于澳大利亚、南美地区。钠离子电池对保障我国资源供给具有重要战略意义。我国仅拥有世界锂资源储量的5.93%,且开发有一定难度,我国锂矿主要依赖进口,镍资源也主要在海外,资源供应可能是锂电池产业进一步壮大后将面临的潜在约束之一。而钠资源储量丰富、分布广泛,且更容易获取,钠电池的研发储备和产业化对保障我国电池产业战略资源供给安全具有重要意义。在未来TWh的电池生态中,钠电池应该会有一席之地。钠离子电池成本有望继续下降。钠电池外形封装(圆柱、软包、方形)与锂电池相同,同时锂电池的生产设备大多可以兼容钠离子电池,原始设备成本支出与锂电池相当。材料中,除隔膜外,钠离子电池的正、负极、电解液、集流体的价格较锂电池材料低。不过,由于钠离子电池制备工艺不够成熟、生产设备仍有待改善,生产效率较低且产品一致性及良品率均低,目前的生产成本明显高于锂离子电池。但未来当技术成熟实现规模化效应后,其降本空间更大。2、钠电池作为锂电池的补充,主要应用市场在储能等领域2.1 钠离子电池产品性能分析有望逐步替代铅酸电池,是锂电池的良好补充。钠离子电池的能量密度、循环寿命优于铅酸电池,但低于锂离子电池。对比铅酸电池,同等容量的下,钠离子电池的体积小、重量轻,且能量密度超过铅酸电池的2倍以上。同时,相比于锂离子电池,钠离子电池的内阻比锂离子电池高,发生短路时发热量少温度较低,且在放电过程中可可放电至0V,因此钠离子电池较锂离子电池的安全性能更加优异。未来首先可能取代铅酸电池并逐步实现低速电动车、储能等领域的无铅化发展。在钠离子电池储能与动力领域,国内企业中科海钠处于产品研发生产的领先地位。目前研发的产品覆盖了电动自行车、低速电动车、规模储能等领域,均可在零下20℃至55℃工作。中科海钠电池使用的技术路线是铜铁锰,生产的钠离子电池循环寿命约为4500次,与磷酸铁锂相当,优于锰酸锂和三元材料;能量密度高于145Wh/kg,与锰酸锂接近。钠创新能源致力于做镍铁锰正极材料(NaNi1/3Fe1/3Mn1/3Q2),即三元层状氧化物正极-硬碳负极体系的钠离子软包电芯,循环寿命约为5000次。2.2 目前的商业化应用主要在储能和两轮车储能是钠离子电池主要的应用场景。2021年6月,由山西新阳清洁新能源与中科海钠主导的1MWh钠离子储能系统在山西落地。其利用阳泉储量丰富、成本低廉的无烟煤作为前驱体,采用中科院全球首创的碳基负极材料生产技术和正极廉价原料加工工艺生产,具有成本最低、安全性能高、低温性能良好、循环寿命长等特点,可广泛应用于低速电动车、家庭储能、5G通讯基站等大规模储能装置。钠离子电池打入两轮电动车市场。2021年7月7日,国内第二大电动两轮车爱玛科技在发布会上表示将使用钠离子电池搭载在未来旗下的电动两轮车上,其钠离子电池由钠创新能源提供。2019年,钠创新能源完成了吨级材料产线。目前1000-3000吨级产线基本建成试运营,3000吨可以对应百万辆爱玛电动车。储能和两轮车市场适合钠电池,车用动力市场还需观察。钠电池规模化生产后成本低,同时安全性好,能量密度、循环寿命尚可,在储能和两轮车市场更有优势。在动力领域,钠电池优秀的低温和快充性能是锂电池的良好补充,但能量密度有一定差距,不过宁德时代提出在动力电池系统中将锂电池和钠电池混配并升级BMS的方案,可能会推动钠电池在车载市场应用。3、国内企业已经开始布局,大规模产业化可能在2023年以后宁德时代电池产业优势雄厚,已经推出钠电池产品。公司已经发布第一代钠电池产品,单体能量密度达160wh/kg,系统集成效率达80%,同时零下20度容量保持率90%,在常温下充电15分钟电量达到80%,综合性能优秀。公司材料体系均为自身研发,采用普鲁士白(铁锰基氧化物,普鲁士蓝的升级版)和层状氧化物作为正极,硬碳作为负极(克容量350mah/g)。未来下一代钠电池能量密度目标突破200wh/kg。中科海钠依托中科院物理所,钠离子电池技术领先。中科海钠成立于2017年,核心技术来源于中国科学院物理研究所清洁能源实验室,是国内首家专注于钠离子电池研发与生产的高新技术企业,公司拥有钠离子电池核心专利15篇,在钠离子电池全生产链各个环节已掌握具有完全自主研发的核心技术,目前已成功开发出的钠离子电池能量密度达到145Wh/kg。2021年4月,华阳股份全资子公司新阳能源与中科海钠合作,拟建设2000吨钠离子电池正极材料和2000吨钠离子电池负极材料项目。钠创新能源团队源于上海交大,产品覆盖广泛。钠创新能源成立于2018年,其中,浙江医药参股40%,但不参与实际经营。公司核心团队源自上海交大马紫峰教授钠离子电池技术研发团队,首席科学家马紫峰教授发表钠离子电池相关文献16篇,公司拥有30余项发明专利,涵盖钠离子电池正极材料、电解液、电池的设计制造以及系统集成与管理等。公司核心产品包括铁基三元材料前驱体、铁酸钠基三元正极材料、钠电电解液、电芯及系统应用产品等。2021年7月7日,爱玛科技在经销商大会上发布钠离子电池,电池由钠创新能源负责,未来将搭载在自己的电动两轮车上。大规模产业化可能在2023年以后。目前国内钠电池还没有形成大规模的产业链,电池企业处于前期的电化学体系积累阶段,材料主要依靠自身研发。未来随着产品成熟度持续提升,国内钠电池产业链可能逐步形成,根据宁德时代预计,可能在2023年以后。投资建议钠电池工作原理与锂电池类似,生产设备也基本兼容,材料体系有一定变化,钠电池凭借能量密度和循环性能的优势,有望在储能和两轮车等市场获得商业应用。在车用动力电池领域,钠电池优秀的低温、快充、安全性是对锂电池的补充,但能量密度和循环性能差距较大,不过宁德时代提出了动力电池中采用锂电池和钠电池混配辅以BMS升级的方案,有望推动钠离子电池在交通领域应用。钠离电池作为一种新的路线,其核心的原材料供应更大宗和普遍,有助于摆脱电池上游战略资源瓶颈,能更好的满足未来TWh时代电池技术多样化需求,是锂电池良好的补充,预计其规模的应用可能在2023年以后。推荐与关注:宁德时代:7月29日发布第一代钠离子电池产品,已经完成前期的电化学体系积累。华阳股份(煤炭):间接持有中科海钠1.66%的股权。浙江医药(化工):持有钠创新能源40%股权。鼎盛新材(有色):钠电池中铜箔改用铝箔。风险提示1)钠电池技术升级和推广低于预期。钠电池的能量密度、循环性能还有待提升,如果技术无法持续升级,可能导致推广不及预期,下游应用空间比较有限。2)成本下降幅度低于预期。钠离子电池理论成本会更低,但目前还没有进入大规模量产阶段,生产工艺和设备还不够成熟,因而成本还比较高。若成本下降幅度低于预期,可能导致大规模商业化应用低于预期。

作者: 沈阳蓄电池研究所新闻中心 详情
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钠离子电池能取代锂离子电池吗?

钠离子电池是锂电池的潜在替代品,但锂离子电池的阳极却不能为钠离子电池提供同样的性能。对于钠离子电池来说,缺乏结晶结构的无定形碳被认为是一种有用的阳极,因为它有缺陷和空隙,可以用来储存钠离子。氮/磷掺杂的碳也具有不错的电性能。在《Applied Physics Reviews》中,来自浙江大学、宁波大学和东莞理工大学的研究人员描述了他们如何应用原子尺度的基本物理概念来构建钠离子电池的高性能阳极。掺杂的非晶碳,特别是富电子元素掺杂的非晶碳,是一个很好的储钠阳极,但对于钠存储的工作原理或掺杂碳的掺杂效果,还没有获得一致的解释。为了寻求答案,研究人员使用能级轨道的概念来解释吡咯氮和一个磷氧键的亲和力、它们的原子相互作用、电子分布和电子云配置。为了更近距离地了解独特的存储行为,他们应用了第一原理计算,这是一种利用基本物理量来计算物理性质的方法。它基于电子密度函数,这是量子力学的一个概念,可以揭示晶体的分子结构。当他们分析了嵌入在改性碳材料内的钠离子的电子分布、体系化学参数和吸附能量时,他们发现吡咯氮和磷氧键显示出真正的钠存储潜力。研究人员设计了一种水热处理方法来构建磷-氧结构的前体,然后在碳阳极上掺入双电子丰富的元素,显示出增强电池的循环寿命和容量的电化学性能。他们的阳极实现了5000次循环寿命,容量增强到220毫安时/克,并减少了容量损失(0.003%/循环)。论文标题为《Sodium storage behavior of electron-rich element-doped amorphous carbon》。

作者: 沈阳蓄电池研究所新闻中心 详情
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胡勇胜团队:钠离子电池标准制定的必要性

摘 要 :钠离子电池具有资源丰富、成本低廉、能量转换效率高、循环寿命长、维护费用低、安全性好等诸多独特的优势,能够满足新能源电池领域高性价比和高安全性等应用的要求。然而钠离子电池作为一种全新的化学电源体系,在当前产业化和推向市场之际,国内外无任何可供使用的产品标准或规范,这将会严重制约钠离子电池技术和产业的发展,迫切需要制定相关的国家和行业标准,实现钠离子电池产品的检验规范化和质量标准化,规范市场秩序和推动技术进步。本文首先介绍了全球范围内锂资源和钠资源的形势;其次,对钠离子电池所具有的特性和优势、国内外的技术及产业化发展现状、存在的问题和未来的发展趋势进行了详细说明,并分析了目前全球范围内钠离子电池标准的现状及可供其参考的其他电池体系已有的标准或规范,指出了钠离子电池标准制定的必要性。最后概括了锂离子电池标准化工作的发展历程及借鉴意义,提出了在制定钠离子电池的标准时可结合其产品特点并借鉴锂离子电池标准化建设工作的具体建议。关键词: 钠离子电池;标准;产业化锂离子电池已经被证明是目前市场上最有影响力的电池产品,被广泛应用于便携式电子产品、电动工具和电动汽车等。近年来,随着这些行业的飞速发展,国内外锂离子电池的生产制造规模达到了空前高度,并且各大锂离子电池生产商还在不断扩大其产能,这必然导致锂资源的大量消耗和价格上涨,2015年碳酸锂价格就一度达到了14~16万元/吨。但是锂并不是一种丰富的资源,在地壳中的丰度仅约为17 ppm(1 ppm=10-6,余同)(图1),且分布极不均匀。据美国地质调查局(USGS)2019年最新报告显示,全球锂资源储量约6200万吨,其中南美洲国家阿根廷占比23.87%、玻利维亚占比14.52%、智利占比13.71%,分别位居全球锂资源储量前三,被称为南美洲地区的“锂三角”(图2)。这种锂资源分布的不均匀性势必又将导致全球范围内新一轮的“资源战争”,而且按照锂离子电池现在的发展速度,若不考虑回收,其应用将在几十年后受到锂资源的严重限制,如果再将锂离子电池应用到大规模储能市场,势必将加速这一过程。图1   地壳中部分化学元素的丰度图片图2   世界主要锂资源国家的探明储量和产量占比众所周知,元素周期表中钠与锂是处于同一主族且具有相似物理化学性质的金属元素,地球上钠资源储量非常丰富,元素含量约为23000 ppm,丰度位于第6位(图1),且钠分布于全球各地,可完全不受资源和地域的限制,所以在资源方面,钠离子电池比锂离子电池具有更大的优势。此外,钠离子与锂离子在电池体系中具有类似的脱/嵌机制(图3),对钠离子电池的研究与开发可缓解由锂资源短缺引发的新能源电池发展受限的问题。虽然在能量密度等方面与目前的锂离子电池相比还存在差距,然而在低速电动车和储能应用中成本和寿命是比能量密度更重要的指标,由此可以判断,钠离子电池将在低速电动车、大规模电力储能、5G通信基站、数据中心等应用领域拥有比锂离子电池更大的市场竞争优势。图3   钠离子电池的工作原理1 钠离子电池特性尽管钠是周期表中仅次于锂的碱金属元素,但两者在物理化学性质上的差异(表1)势必会造成相应电极材料在电化学性能上的差异。较重的钠离子质量和较大的钠离子半径致使钠离子电池的重量和体积能量密度无法完全与锂离子电池相媲美,而钠离子较大的离子半径也会引起电极材料在离子输运、体相结构演变和界面性质等方面的差异。因此,为了发挥钠离子电池自身的特性和优势,必须探寻不同于锂离子电池的新的材料体系。表1   锂与钠的物理化学性质对比注:1 ?=0.1 nm。然而,钠与锂物理化学性质上的差异所带来的影响不一定都是负面的,在某些方面具体其独特的优势:①由于钠离子与过渡金属元素离子的半径差异较大,在高温下更容易与过渡金属分离形成层状结构,使其层状氧化物的堆积方式具有多样化。含锂层状氧化物多为O型结构,而含钠层状氧化物具有丰富的O型和P型材料种类;②很多在含锂层状氧化物正极中没有电化学活性的过渡金属元素在含钠层状氧化物中具有活性。目前仅发现Mn、Co、Ni三个元素组成的含锂层状氧化物可以可逆充放电,而具有活性的含钠层状氧化物种类相对较多,Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等元素均具有活性且表现出多种性质;③钠离子在电极材料中的扩散速率并非一定低于锂离子,扩散速率的快慢与电极材料的晶体结构密切相关;④在充放电过程中,相同构型的电极材料由于传输离子的差异会产生不同的相变,特别是钠离子与空位的有序无序分布将产生重要影响;⑤较大的钠离子半径不一定会导致电极材料的体积发生巨大形变;⑥在极性溶剂中钠离子具有更低的溶剂化能,从而在电解液中具有更快的动力学,具有更高的电导率。另一方面钠离子的Stokes半径比锂离子的小,相同浓度的电解液具有比锂盐电解液更高的离子电导率,或者更低浓度电解液可以达到同样离子电导率;⑦钠离子电池在电池充放电过程中钠不会与铝产生电化学合金化反应,因此负极也可以采用铝箔作为集流体(铝箔价格约为铜箔的1/3),既有利于电池的安全(避免过放引起的集流体氧化且可以过放电至零伏),又达到了进一步降低电池成本的目的。此外,钠离子电池电极极片制作时,在铝箔集流体两面分别涂覆正极材料和负极材料,并将极片进行周期性的叠片,还可以做成双极性(bi-polar)电池。这在单体电池中实现了高电压,可大量节约其他非活性材料,进一步提升电池的能量密度。而且由于钠离子电池与锂离子电池相似的结构,在规模化生产中可借鉴锂离子电池的生产检测设备、工艺技术和制造方法等,可加快钠离子电池的产业化速度。钠离子电池在其他方面性能如高低温性能、安全性能等方面是否存在其自身特点及独特优势,仍需进一步挖掘。2 钠离子电池产业化现状及发展趋势2.1 产业化现状2010年以来,钠离子电池受到国内外学术界和产业界的广泛关注。目前,钠离子电池已逐步开始了从实验室走向实用化应用的阶段,国内外已有超过二十家企业正在进行钠离子电池产业化的相关布局,并取得了重要进展,主要包括英国FARADION公司、法国NAIADES计划团体、美国Natron Energy公司、日本岸田化学、丰田、松下、三菱化学,以及我国的北京中科海钠科技有限公司、浙江钠创新能源有限公司、辽宁星空钠电电池有限公司等(图4)。不同企业所采用电化学体系各有不同,其中正极材料体系主要包括层状氧化物(如铜铁锰和镍铁锰三元材料)、聚阴离子型化合物(如氟磷酸钒钠)和普鲁士蓝类等,负极材料体系主要包括软碳、硬碳以及软硬复合无定形碳等。图4   全球钠离子电池产业化布局英国FARADION公司较早开展钠离子电池技术的开发及产业化工作,其正极材料为Ni、Mn、Ti基O3/P2型层状氧化物,负极材料采用硬碳。现已研制出10 A·h软包电池样品,能量密度达到140 W·h/kg,电池平均工作电压3.2 V,在80%DOD下的循环寿命预测可超过1000次。美国Natron Energy公司采用普鲁士蓝材料开发的高倍率水系钠离子电池,2 C倍率下的循环寿命达到了10000次。但普鲁士蓝(白)类正极材料压实密度较低,生产制作工艺也较复杂,其体积能量密度仅为50 W·h/L。由CNRS、CEA、VDE、SAFT、Energy RS2E等多家单位共同参与成立的法国NAIADES组织开发出了基于氟磷酸钒钠/硬碳体系的1 A·h钠离子18650电池原型,其工作电压达到3.7 V,能量密度90 W·h/kg,1 C倍率下的循环寿命达到了4000次。但是钒有毒性且原料成本较高。同时氟磷酸钒钠电子电导率偏低,需进行碳包覆及纳米化,且压实密度低。此外,丰田公司电池研究部在2015年5月召开的日本电气化学会的电池技术委员会上也宣布开发出了新的钠离子电池正极材料体系。三菱化学也与东京理科大学一直在开展关于钠离子电池方面的合作研究。国内钠离子电池技术研究也一直处于前列,其中浙江钠创新能源有限公司制备NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2三元层状氧化物正极/硬碳负极体系的钠离子软包电芯能量密度为100~120 W·h/kg,循环1000次后容量保持率超过92%。依托中国科学院物理研究所技术的中科海钠公司已经研制出能量密度超过135 W·h/kg的钠离子电池,电池平均工作电压3.2 V,在3 C/3 C、100%DOD循环1000次后容量保持率91%。现已实现正、负极材料的百吨级制备及小批量供货,钠离子电芯也具备了MW·h级制造能力,并率先完成了在低速电动车和30 kW/100 kW·h储能电站的示范应用。2.2 存在的问题及发展趋势钠离子电池技术和产业的发展一定程度上可以借鉴锂离子电池,可谓是“站在了巨人的肩膀上”。然而也要意识到目前在钠离子电池产品研发和实现其产业化的过程中依然面临着一些挑战[]:①目前钠离子电池处于多种材料体系并行发展的状态,而其中一些正、负极材料体系加工性能等还有待进一步提高。其中负极无定形碳材料还有首周库仑效率偏低、储钠机理尚未明确等问题。此外,与正负极材料相匹配的电解液体系的开发也不足;②虽然目前钠离子电池的大部分非活性物质(集流体、黏结剂、导电剂、隔膜、外壳等)可借鉴锂离子电池成熟的产业链,但是对于核心的正负极材料和电解液等活性材料的规模化供应渠道依然缺失,其来料稳定性无法保证,进而影响生产工艺过程和产品质量的稳定性;③相比于锂离子电池,现有的钠离子电池体系能量密度还较低,单位能量密度下的非活性物质用量和成本占比会有一定的增加,致使其活性材料的成本优势无法完全发挥出来;④钠离子电池可参照锂离子电池设计及生产工艺技术,但却无法完全照搬,如钠离子电池负极使用铝箔集流体带来的产品设计、电极制作及装配工艺等的变化,化成老化工艺区别等;⑤由于钠离子电池工作电压上下限与其他成熟电池体系的差异以及较强的过放电忍耐能力等,现有的电池管理系统无法完全满足钠离子电池组的使用要求,需要重新设计开发;⑥目前暂无任何正式的有关钠离子电池的标准和规范发布,影响钠离子电池制造工艺的规范化及产品质量的一致性,也会导致不同企业之间的产品难以统一和标准化,不利于产品的市场推广和成本降低。接下来,钠离子电池的发展将会更加注重于解决产业发展过程中的工程技术问题和开发符合目标市场需求的产品,其相关技术和产业的发展趋势可以从以下几个方面来进行考虑。①进一步提高正负极材料体系的综合性能,并优化改性其生产制备工艺,提高材料稳定性。优化电解液体系,构筑更加稳定的正极|电解质和负极|电解质界面等。②根据不同应用场景逐渐形成对应的主流钠离子电池体系。同时优化电池设计及生产制造工艺,降低非活性物质的用量,继续提高电池能量密度、循环寿命以及安全性能。③结合钠离子电池特点针对性发展并优化适用于钠离子电池的相关技术体系,包括电芯设计、极片制作、电解液/隔膜选型、化成老化以及电芯评测等技术。④根据钠离子电池的特性针对性开发相应的电池管理系统,以进一步提升电池组整体寿命以及安全性。同时优化钠离子电池成组技术,如开发钠离子电池的无模组电池包(CTP)技术、双极性电池技术等。⑤联合更多的科研单位及企业共同攻关,打通钠离子电池上下游供应链,尽早完成针对钠离子电池的相关必要标准的制定。⑥调整生产规模,优化销售环节,降低钠离子电池的单位成本,提高市场的接受程度(尤为重要)。根据现有的钠离子电池技术成熟度和制造规模水平,将首先从各类低速电动车应用领域切入市场,然后随着钠离子电池产品技术的日趋成熟以及产业的进一步规范化、标准化,其产业和应用将迎来快速发展期,并逐步切入到各类储能应用场景,如可再生能源(如风能、太阳能)的存储、数据中心、5G通讯基站、家庭和电网规模储能等领域。3 钠离子电池标准现状国际标准包括各类国际标准组织制定的世界范围内适用的标准、发达国家的国家标准、区域性组织的标准、国际上权威的团体标准和企业标准中的先进标准等。我国的标准一般有国家标准、行业标准、地方标准和企业标准四级。国际上涉及电池相关标准的机构,主要有国际电工委员会(IEC),国际标准化组织(ISO)、联合国危险货物运输委员会(UN/CETDG)等,我国相关机构主要有国家标准化管理委员会、中国电子技术标准化研究院和全国信息技术标准化技术委员会等。通过这些机构所提供的公开系统进行查询发现,截至目前,未查询到有专门针对钠离子电池有关的国际标准、国家标准、行业及地方标准等。这主要是由于全球范围内钠离子电池还处于产业化的初级阶段,上下游产业链还不是十分成熟,导致目前暂无正式的标准或规范推出,但相关企业和从业人员已经逐渐开始关注钠离子电池标准的布局工作。钠离子电池与锂离子电池有相似的工作原理和电池结构等,可以沿用和借鉴现有已成熟的锂离子电池生产工艺和产业链。因此,钠离子电池作为类似产品在一定程度上可以参照锂离子电池已发布或引用的相关标准及规范。锂离子电池经过二十多年的发展,其各类国家、行业和地方标准或规范的覆盖面已经十分广泛,全面涉及到了电池的术语和定义、命名规则、产品设计要求、试验方法、质量评定程序、安全及环境适应性能,标志、包装、运输和贮存等方面的内容。现阶段钠离子电池企业也主要是参照或借鉴这些标准或规范的相关内容(表2),并结合钠离子电池自身的特性和产业发展情况来制定各自的企业标准或产品规范,以此规范产品设计及制造工艺、确保产品质量的一致性,但这也会导致不同企业之间的产品难以统一和标准化,性能和技术水平参差不齐。表2   可供钠离子电池参考的相关标准当然,钠离子电池具有其独特的性质,完全参考锂离子电池已发布或引用的标准及规范存在较大的局限性。钠元素的自然属性决定了钠离子电池特性与锂离子电池不同,主要体现在:①Na+/Na电对的标准电极电位比Li+/Li高约0.3 V,表现在钠离子电池工作电压范围与锂离子电池的差异,所有参照标准或规范中与此相关的各项参数指标无法通用,需要进行调整;②钠离子在电池材料中嵌入与脱出动力学性能与锂离子不完全相同,各类标准中涉及到产品性能检验部分的内容需要变更;③钠离子电池可以采用铝箔作为负极集流体,不存在过放电的问题,还可在放空电后甚至是零电压下运输,因此一些安全测试标准、产品运输及储存规范等也不能通用。综上所述,专门制定适用于钠离子电池的标准对于其技术和产业的发展意义重大。4 锂离子电池标准化工作的发展及借鉴意义4.1 锂离子电池标准发展历程1991年,日本SONY公司首次推出了18650这种标准型的电池型号,开启了锂离子电池的商业化应用,并应用于笔记本电脑、手机、数码相机等便携式电子产品。在我国早期的锂离子电池应用过程中,其产品标准主要参照各生产制造企业的企业标准,后随着我国锂离子电池产业规模不断扩大、产品性能不断提高,亟需制定统一的锂离子电池行业或国家标准。1998年,我国电子工业部发布了行业标准《SJ/T 11169—1998锂电池标准》,首次提到了对锂离子电池的相关技术要求,但没有严格区分锂电池(原电池)和锂离子电池。1999年,我国信息产业部发布了第一个专门针对锂离子电池的行业标准《YD/T?998.2—1999移动通信手持机用锂离子电源及充电器充电器》。随后在2000年,中国电子技术标准化研究院牵头主导了国家标准《GB/T18287—2000蜂窝电话用锂离子电池总规范》的制定,这是全球首部关于锂离子电池的国家标准,对推动我国锂离子电池的产业和技术发展起到了非常重要的作用。至此,锂离子电池标准化发展首次经历了从企业标准到行业标准再到国家标准的过程。近年来,随着锂离子电池应用从传统的便携式电子设备发展到新能源电动车、储能系统等领域,单一化的标准体系模式已难以适应。以综合标准化为原则,锂离子电池全产业链、全生命周期(包括产品回收)、全应用领域标准的制定工作等正在逐步推进。同时,2018年12月,为适应产业发展需求,有关单位提出了筹建全国锂离子电池及类似产品标准化技术委员会的申请,其中类似产品包括了正在研制开发的钠离子电池、镁离子电池、锂金属蓄电池和锂离子固态电池等。综上所述,根据锂离子电池标准的发展历程,作为其类似产品的钠离子电池的各项标准化建设工作是有迹可循的。4.2 钠离子电池标准技术体系框架2016年11月,工信部正式发布了《锂离子电池综合标准化技术体系》,首次将锂离子电池及类似产品的标准化工作纳入了统一的宏观规划。该技术体系将锂离子电池及类似产品的标准分为了5种:基础通用、材料与部件、设计与制程、制造与检测设备以及电池产品。而作为锂离子电池的类似产品,钠离子电池在其标准化建设时也可借鉴锂离子电池的方式建立对应的标准技术体系框架(图5),完善其标准体系布局。图5   钠离子电池综合标准化技术体系框架综上所述,虽然现有的锂离子电池标准或规范不能在钠离子电池上通用,但锂离子电池的标准化工作的发展历程、标准体系的编制原则和构成、发展现状等对后续钠离子电池的标准化工作建设具有非常重要的借鉴和指导意义。5 对钠离子电池标准发展必要性和建议标准的制定和统一,可规范专业用语,起到较好的行业引领作用,带来规模化效应以降低成本,抢占标准化制高点,并有助于服务企业,满足市场需求。同时电池产品的标准,尤其安全标准是约束产品质量的重要依据,也是规范市场秩序和推动技术进步的重要手段。近年来,低速电动车以及各类储能应用等领域呈现高速发展的态势,钠离子电池凭借独有的优势,其研究及产业化迎来了前所未有的机遇。目前已陆续成功在各目标领域开展了示范应用,相关产品也在逐步面向市场推开,与钠离子电池关联的产业蓄势待发,这对制定钠离子电池相关标准的需求日益迫切。首先,在无钠离子电池产品相关国家标准、行业标准和地方标准的情况下,当钠离子电池产品开始进入市场推广应用时,应由相关企业根据产品特点并结合低速电动车和储能等目标应用领域的使用要求制定钠离子电池产品的企业标准,并上报有关行政主管部门审核、备案,以此作为企业组织产品生产、判定产品质量以及销售的依据。可从专业术语、产品开发设计、生产制造、性能指标及检验方法、使用方法和注意事项以及贮存运输等环节入手,并参照和借鉴锂离子电池的相关标准的情况开展钠离子电池产品企业标准的制定工作。其次,随着钠离子电池产业进入快速发展期,建议各级有关部门将钠离子电池的标准研究列入科技计划,给予科研经费支持,引导钠离子电池领先企业投入人力、物力进行前瞻性研究和布局。同时成立专项小组,由领先企业牵头起草,在条件成熟适时推出具备科学性、适用性和可执行性的钠离子电池相关国家、行业和地方标准,统一并规范钠离子电池产品的技术要求并作为行业准入门槛。同时,在国家提出的“中国标准走出去”战略指导下,积极向国际有关标准机构提交钠离子电池国际标准的制修订项目提案,主导或参与制定钠离子电池相关国际标准。并争取国内钠离子电池标准或者标准中的技术内容被国外标准采纳或直接转化为国际标准,进而提高我国钠离子电池产业的竞争力,促进整个钠离子电池产业链的健康、可持续发展。最后,根据产业和技术的进一步发展,逐步细分并详细制定钠离子电池的各类标准,覆盖其产业链和生命周期(图6)。从钠离子电池产业链的角度,可以分为原辅材料、电芯、电池管理系统、电池组、检测及生产设备、工厂设计等标准;从钠离子电池生命周期角度,可以分为设计、生产、运输、贮存、使用、回收等标准。与此同时,还应该意识到标准是对一定时期的总结归纳,用以指导产品技术和产业的发展方向。但是由于钠离子电池技术和产业的不断发展,相关新技术等的不断出现,原有的标准可能不能完全适应,进而对产业技术的发展起到反作用,此时需要根据钠离子电池的技术发展状态与时俱进,适时开展相应标准的制修订工作。图片离子电池标准分类此外,制定钠离子电池相关标准不仅要基于各阶段降成本驱动抑或是大规模标准化生产等的需求,也要为将来电池回收利用及环保等方面进行考虑;同时加强标准数据库及共享体系的建设,成立公开、透明、关联的标准共享平台,并适时推进钠离子电池标准的国际化,争取在全球钠离子电池产业中掌握优先权和主动权。6 结 语钠离子电池应用技术兼具高性价比和高安全的优势,当面对即将到来的大规模储能国家战略需求以及崛起的智能电网覆盖下的家庭储能市场时,可缓解因锂资源短缺引发的新能源电池发展受限的问题,同时可实现在新型储能应用中的无铅化,产业化前景相当乐观。从竞争格局来看,我国钠离子电池无论从技术水平还是产业化推进速度在国际上都处于前列,且拥有钠离子电池核心技术和自主知识产权,自主创新也是标准的灵魂。产业发展,标准先行,事实证明,标准意味着市场认可的新技术与新规范,主导标准者才能占据市场竞争和行业的制高点。在这方面,我国已具备较大优势,应力争获得全球钠离子电池标准制定的主导权,引领钠离子电池技术与应用的发展趋势。现阶段,优先支持部分性能优异的钠离子电池产品进入国家或地方电池类产品目录,可尽快推动钠离子电池的市场化应用,为促进我国新能源电池行业的发展做出贡献。而标准则可作为钠离子电池产品进入国家或地方产品目录的检验依据和准入门槛。因此,制定钠离子电池相关标准刻不容缓。引用本文: 周权,戚兴国,陆雅翔等.钠离子电池标准制定的必要性[J].储能科学与技术,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: 周权 胡勇胜等 详情
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2020年以来主要液流电池签署项目汇总

新型储能政策推动液流电池进入商业化前期,国内装机规模未来2年有望实现成倍增长,并在大规模可再生能源并网与电网调峰领域率先爆发。2021年以来,锂离子电池上游原材料价格暴涨与产能紧缺,暴露出过度依赖单一技术路线的风险:锂电池下游需求快速释放造成上游价格上升,产能供应不足,导致储能与电动车、两轮车、智能家居等下游“抢电池、抢原料”的情况发生。另外,储能锂电池产品寿命不长、火灾爆炸等事件时发等问题也影响了锂电池储能产品的应用。2021年7月,国家发改委和能源局发布《关于加快推动新型储能发展的指导意见》,文件提出要坚持储能技术多元化,推动锂离子电池等相对成熟新型储能技术成本持续下降和商业化规模应用,实现液流电池等长时储能技术进入商业化发展初期。液流电池等新型储能电池的政策春天正逐步来临。液流电池在大规模储能的优势:超长循环寿命、高安全稳定性、绿色环保液流电池通过不同电解液离子相互转化实现电能的储存和释放。与传统二次电池相比,其电极反应过程无相变发生,可以进行深度充放电,能耐受大电流充放。与其他电化学储能技术相比,液流电池最突出特点就是循环寿命特别长,最低可以做到10000次,部分技术路线甚至可以达到20000次以上,整体使用寿命可以达到20年或者更长时间。其次,液流电池的储能活性物质与电极完全分开,功率和容量设计互相独立,便于模块组合设计和电池结构放置;储存于储罐中的电解液不会发生自放电;电堆只提供电化学反应的场所,自身不发生氧化还原反应;活性物质溶于电解液,电极枝晶生长刺破隔膜的危险在液流电池中大大降低;同时流动的电解液可把电池充电/放电过程产生的热量带走,避免由于电池发热而产生的电池结构损害甚至燃烧;最后,液流电池的电解液可以实现回收再利用,相比铅蓄和锂离子电池,不会对环境造成污染。产品分类看,液流电池按照电解液体系的不同可分为全钒、铁铬、锌溴等不同技术路线。全钒液流电池是目前商业化最为成熟的液流电池路线。首先,全钒液流电池经过多年示范考核,其大规模储能的工程效果已得到充分的验证,其他路线由于示范时间短,仍需要经历较长的验证周期;相比铁铬等技术路线,全钒液流电池的电解液、隔膜、膜电极等原材料供应链已经初步成型,国产化进程不断加快,已能够支撑起开展百兆瓦级的项目设计与开发,其产业配套更加成熟;最后,全钒液流电池系统(10MW-4小时储能配置)的单瓦时成本已经能够控制在2-3元的水平,已经具备初步商业化应用的条件。铁铬液流等路线虽然具备更大的降本空间,但从技术瓶颈突破、产业链培育和产能建设的进度看,未来五年其他液流电池路线的成熟度和成本水平仍难与全钒液流电池相媲美。液流电池与其他电化学电池技术对比资料来源:公开资料,高工产研新能源研究所(GGII),2021年10月综上,液流电池是更适合大规模、长时间储能场合的储能电池技术路线。从产业配套成熟度看,全钒液流电池将是未来五年主流的液流电池技术路线。随着装机规模的快速提升,液流电池的储能性能优势将会越发突出。2020年以来市场回顾:签订项目数创新高,产业链企业扩产加速需求端看,目前液流电池电化学储能装机量占比偏低,无论是全球还是中国,比例均低于1%。但2018年以来液流电池签订项目数和装机项目数均创新高,市场热度明显提升。以国内为例,根据不完全统计,仅从2021年到2021H1,国内规划的液流电池装机量超过6GW,容量超过20GWh。预计2022-2023年该批项目将会密集投运,整体规模将在2021年的基础上翻番,届时有望为国内液流电池市场带来巨额订单需求。2010-2020年全球液流电池装机量增长情况(MWh)资料来源:美国能源部2020年以来主要液流电池签署项目资料来源:公开资料、高工产研新能源研究所(GGII)整理.,2021年10月供给端看,根据GGII产业调研,大连融科、北京普能世纪、乐山伟力得为代表的电池企业,苏州科润、攀钢钒钛为代表的上游配套企业自2018年以来陆续融资扩产,为即将爆发的液流电池市场屯兵备粮。2021年国内主要液流电池产业链扩产项目(部分)资料来源:公开资料、高工产研新能源研究所(GGII)整理.,2021年10月现阶段液流电池市场规模较小,整体竞争格局尚未全面打开,大连融科与北京普能世纪涉足液流电池时间较长,其凭借着电堆产品迭代能力、供应链整合能力和MW级液流电池项目设计运维能力暂时处于国内领先地位,其装机规模也遥遥领先国内其他同行。但随着其他新进入者的加入与扩产项目的完成,未来市场竞争格局仍将存在较大的变数。产品技术端看,液流电池最为诟病的是其能量密度偏低,生产成本偏高。要推进液流电池储能技术的普及应用,还需要将电堆的功率密度、能量密度和转化效率再提升一个层次,从而降低电池的成本,提高其可靠性和稳定性,这是行业已经达成的发展共识。GGII预测未来5年,液流电池的产品技术发展将重点围绕着电堆结构设计的数值模拟仿真、更高效低成本电堆原材料(离子交换膜、双极板和碳毡等)、高功率密度电堆开发和电解液体系创新等四大方面开展。"十四五"储能液流电池规模预判:2025年全钒国内装机有望突破1GW随着各地液流电池储能示范项目落地并获得技术验证,"十四五"期间将是液流电池从定点示范走向推广的重要机遇期。高工产研新能源研究所(GGII)预测,"十四五"期间全钒液流电池凭借着更为成熟的产业配套和产品技术、更低的初次投入成本,将成为主流的液流电池技术路线。2025年全钒液流电池国内装机量有望突破1GW,新增的装机量主要来源于电源侧的可再生能源并网和电网侧的削峰填谷两大应用领域。增长的驱动力主要包括:1)新型储能政策号召下,国电投、华能、华润等能源央企加快投资液流电池等新型储能示范项目,推动液流电池装机量上一个台阶;2)大连融科、普能等国内产业链企业扩产项目投产,带动电解液、电堆产业链配套规模扩大,制造成本进一步下降;3)国内电价市场化改革持续,取消工商业目录电价、扩大峰谷电价差等电价改革措施在国内逐步落地,增强市场对不同储能技术路线的包容性和液流电池商业盈利性;4)锂离子电池安全隐患和储能时长有限缺陷使液流电池得到新的成长机会。为全面了解储能液流电池供求发展、技术路线、企业布局、未来前景等状况,高工产研新能源研究所(GGII)通过实地走访、电话调研、参考公开资料等途径获取了大量的行业信息并进行深度分析,最终形成《2021年中国储能液流电池市场调研分析报告》。报告共分7章,从储能细分领域(电源侧、电网侧和用户侧)、储能液流电池需求规模、竞争格局、产品与技术、重点企业、风险与建议等方面,为想要了解储能液流电池从业者提供全面的行业数据和分析报告。数据范围说明●本报告数据更新至2021年6月。●本报告数据以中国大陆地区数据为主,少量涉及全球其他地区数据。

作者: 沈阳蓄电池研究所新闻中心 详情
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钒电池产业链深度解析

在“碳达峰、碳中和”背景下,以风电光伏为主的清洁能源将逐渐取代以煤炭、石油为主的化石能源。由于风电、光伏间歇性发电的特点,储能正在从过去的“可选项”变为发展新能源过程中的“必选项”。#钒电池#当前储能相关支持政策推出速度显著加快。2021年7月15日,国家发改委、国家能源局正式印发《关于加快推动新型储能发展的指导意见》,明确到2025年新型储能装机规模达30GW以上,未来五年将实现新型储能从商业化初期向规模化转变,到2030年实现新型储能全面市场化发展。文件提出要坚持储能技术多元化,推动锂离子电池等相对成熟新型储能技术成本持续下降和商业化规模应用,实现液流电池等长时储能技术进入商业化发展初期。目前主要的液流电池包括铁铬电池、锌溴电池及全钒电池等。其中,全钒液流电池是目前研究和应用最广泛的液流电池技术,其十分适合作为储能电池,尤其是在光伏、风电等新能源领域。以钒电池为代表的液流电池,2019年装机规模为20MW,2020年装机规模达100MW,据不完全统计2020年以来钒电池项目,装机量已经超过6GW,容量超过20GWH。按照《关于加快新型储能发展的指导意见》政策制定目标,2025年累计实现新型储能30GW装机量,钒电池渗透率20%+,当前渗透率为1%左右,由于光伏、风电等将带动储能行业高速发展,钒电池未来发展前景广阔,2021至2025年有望是钒电池渗透率提升的第一阶段爆发期。钒电池有望成为储能行业大发展赛道上的新星。钒电池的工作原理:资料来源:UET钒电池全称为全钒氧化还原液流电池(Vanadium Redox Battery,VRB),为液流电池的一种,是一种基于金属钒元素的氧化还原的电池系统,其电解液是不同价态的钒离子的硫酸电解液。从应用领域来看,钒液流电池当前已实现在智能电网、通信基站、偏远地区供电、可再生能源及削峰填谷等项目中的应用。全钒液流电池,寿命长、规模大、安全可靠的优势尤为突出,可用于建造千瓦级到百兆瓦级储能电站不易燃烧,可实现100%放电,而不损害电池,成为规模储能的首选技术,在调峰电源系统、大规模风光电系统储能、应急电源系统等领域具有广阔的应用前景。钒产业链上游:资源端储量丰富钒在地壳中为第17种常见元素,在地壳中的含量为0.02~0.03%,分布广泛。钒常以钒铁、钒化合物和金属钒的形式广泛应用于冶金、宇航、化工和电池等行业。钒很少形成独立的矿物,主要赋存于钒钛磁铁矿、磷酸盐岩、含铀砂岩和粉砂岩中,此外还有大量的钒赋存于铝土矿和含碳物质中(如石油、煤)。绝大多数的钒供应来源于共伴生矿床:钒产量中大约有71%来自钒钛磁铁矿炼钢后得到的富钒矿渣,18%直接来自钒钛磁铁矿,二者合计达到89%,其他的钒来自钒铀矿、含钒燃油灰渣、含钒石煤、废化学催化剂等等。钒主要以伴生元素赋存于钒钛磁铁矿中:资料来源:USGS全球钒矿储量主要集中在中国、俄罗斯、南非,中国储量占全球的43%。中国的钒矿产量占全球62%。2020年全球钒静态开采年限达到253年,相比于其他金属20-50年的静态开采年限,钒的资源十分充足,其资源储量完全有能力保障需求的数量级增长。中国的钒矿产量占全球62%:资料来源:USGS, 行行查国内钒资源主要以钒钛磁铁矿共伴生存在为主,分布区域主要有四川攀枝花地区、河北承德地区和辽宁朝阳地区。从钒储量来看,四川攀枝花地区的钒资源最为丰富,攀枝花市境内钒钛磁铁矿保有储量达237.43亿吨,其中钒资源储量达1865万吨,约占全国储量的62%,攀钢钒钛是国内最大的钒产品生产商,2020年公司钒产品产量占国内产量的18.75%。具备钒制品(折合V2O5)产能2.2万吨/年,外加托管的西昌钢钒的产能1.8万吨/年,公司实际控制的产能达到4万吨/年。我国主要钒生产企业还包括河钢承德钒钛新材料、川威特殊钢、四川德胜集团钢铁、承德建龙特殊钢等。经历产能出清过后的钒行业集中度提升,竞争格局优化,龙头企业定价权进一步提升。攀钢钒钛行业龙头地位得到强化与巩固,定价权得以进一步提升。钒产业链下游:钢铁为主要应用领域,储能需求高速增长钒的下游包括钢铁与铸造、钛合金、化工以及储能,钒的应用集中在钢铁领域,占比达到85%。储能方面则被用在全钒氧化还原液流电池中。根据Roskill,得益于对螺纹钢标准的执行,中国的钒使用强度已经超过了世界平均水平,正在超发达国家迈进。到2030年,全球钢铁对钒的需求将达到约136000吨,年均复合增长率达到2.7%。“双碳”背景下钢铁行业对钒的需求增量有限。随着储能的高速增长,钒电池有望带动钒需求呈现爆发式增长。Roskill预测到2030年,VRFBs的钒需求将以约56.7%的复合年增长率增长。世界银行预测,到2050年,单是储能领域的钒需求量就可能达到2018年全球钒产量的两倍。钒电池与锂电池相比的优劣势从成本端来看,与锂电池相比,钒电池最大的劣势就是成本。随着消费电子和新能源汽车对锂电池行业的拉动,锂电市场规模急剧扩大,技术不断进步,加上规模效应,带来成本的大幅下降。资料来源:CNKI, 行行查由于尚未规模化商用,且受制于设备、产能以及高额的前期投入,目前钒电池成本约为锂电池的2-3倍。以当前集装箱交付的价格(含电池包、温控系统、换流系统、消防系统、监控系统等),目前钒液流电池成本达3-3.2元/Wh,对比目前储能锂离子电池成本约1.2-1.5元/Wh,钒电池仍面临巨大的价格压力。全钒液流电池储能系统由电堆、电解液、管路系统、储能变流器等组成,其中电堆和电解液成本占系统总成本的85%左右。随着政策推进,钒电池形成规模化、集群化产业后,电池成本有望进一步下降。全钒液流电池关键技术:资料来源:《全钒液流电池》,行行查相比锂电池,安全是钒电池最大的优势。与目前储能电站的主流电池——使用非水电解液的锂电池不同,由于全钒液流电池电解质离子存在于水溶液中,发生过热、爆炸的可能性大大降低,液流电池的安全性能让其在电池领域脱颖而出。另外,不同于锂80%供应在海外,钒的供应大约50%在国内,资源不会受制于人。钒的需求结构一直相对稳定,90%来自钢铁,储能目前只占1%。但是随着储能进入爆发期,2025年占比有望超过15%,2030年有望超过30%。正如2015年的锂钴和2018年的镍的发展格局,新的需求领域带来了新的成长空间。随着储能行业的快速发展,钒产品未来的需求空间打开,钒有望成为继锂钴镍之后能源金属。钒电池放电过程:资料来源:北京普能从钒电池的历史发展沿革来看,钒电池相关研究源于1984年UNSW对2/3价与4/5价钒离子电对在氧化还原电池中的应用,并于1988年开始进入工业研发阶段。1995年,中国工程物理研究院电子工程研究所从率先在国内开始钒电池的研制。先后研制成功了500W、1000W的钒电池样机,成功开发了4价钒溶液制备、导电塑料成型及批量生产、电池组装配和调试等技术。2002年,钒钢龙头企业攀枝花钢铁公司以深化资源利用为目的,与中南大学合作介入了钒电池的研发。2009年,中国普能实现对全球最大钒电池公司VRB Power Systems公司的资产收购,包括其拥有或控制的所有专利、商标、技术秘密、设备材料等。此外,VRB PowerSystems公司的核心技术团队加入合并后的公司。资料来源:行行查从钒电池市场格局来看,目前钒电池市场体量较小,龙头格局未显,产业仍处于发展初期。目前全球范围内研发和制造企业主要包括日本住友电工SEI、大连融科、北京普能、美国UniEnergyTechnologies等。国内钒电池生产企业主要为北京普能、大连融科、武汉南瑞(国网英大子公司)、上海电气及伟力得。根据国家发改委、国家能源局发布的《关于加快推动新型储能发展的指导意见》所制定的目标,到2025年新型储能装机规模将达30GW以上,与目前的装机量相比仍有巨大的空间。钒电池由于其寿命较长,安全性较好,其在储能领域的渗透率将稳步提升,2025年钒电池在储能领域渗透率有望达到15%-20%。国家能源集团北京低碳清洁能源研究院储能技术负责人刘庆华表示:“十四五”时期,我国全钒液流电池将迎来非常好的大规模推广时机。随着各地全钒液流电池储能示范项目落地并获得技术验证,未来5年内预计将是全钒液流电池从成熟走向推广的重要窗口期。”

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为储能电池“加料” 我国科学家研制出新型钒液流电池电极材料

记者从长沙理工大学获悉,该校丁美、贾传坤教授团队,联合重庆大学教授孙立东、中科院北京纳米能源与系统研究所研究员孙其君,及中科院金属研究所等多个科研团队,利用电沉积和氧化还原靶向催化交叉结合技术,共同开发出了一种大规模储能钒液流电池用的普鲁士蓝复合电极材料,可显著提高钒液流电池功率密度和能量效率。这种新型电极材料,有望助推钒液流电池“提质降本”,为其进一步商业化应用提供了新思路。目前,成果进入应用孵化阶段,这一研究成果也于日前发布于全球工程技术与材料类著名期刊《SMALL》上。可再生能源开发和利用的迫切性,众所周知。可再生能源的快速发展,则有赖于高安全、低成本、长寿命的大规模储能新技术。电化学储能,是储能技术的一个重要分支。其中,钒液流电池因具有循环寿命长、安全可靠、功率与容量独立等优点,是目前最有应用前景的大规模储能技术之一。不过,要将这类电池产业化,则“受制”于电池性能和成本。电极材料是决定钒液流电池功率成本和效率的关键材料之一。目前,最常用的电极材料为碳毡或石墨毡,这类电极材料对钒离子的催化活性低,比表面积也低,成为钒液流电池“提质降本”,进入商业化应用的瓶颈。寻找到高活性、低成本的电极材料,是业内专家研究的热点和重点。研究团队历时3年,开发了该种普鲁士蓝复合电极,有效提升了钒离子反应活性,从而显著提高了钒液流电池功率密度和能量效率。“用这个复合电极组装的钒液流电池,功率密度较碳毡电极提升了50%以上。在100毫安每平方厘米的电流密度下,能量效率甚至超过88%。”丁美说。

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钒电池能否挑战锂电池地位?业内专家:前者更适合规模储能环节

锂电池产业已经十分成熟,资本市场也已经孕育了宁德时代(300750,SZ)等优质龙头。新能源电池的路线这么多,这一产业未来是否还会有黑马杀出?钒电池成为被看好的其中一条路线。今日(7月31日),由四川省钒钛钢铁产业协会和中国铁合金在线联合主办的第十届中国钒业发展论坛在成都召开。会上,钒电池技术路线成为业内热议问题。多位业内专家表示,随着风能、太阳能等清洁能源的发展,储能环节将为钒电池带来巨大的需求。相较锂电池,钒电池的安全性、储能容量都有优势。不过,钒电池要完成成熟的商业化进程,还需要解决高成本等制约条件。中国科学院金属研究所研究员严川伟表示,大规模储能环节适合钒电池。图片来源:每经记者 胥帅 摄钒电池需求在规模电力储能在第十届中国钒业发展论坛上,钒资源的发展等成为热议问题。“加快培育世界级钒钛钢铁现代产业集群。”四川省经济和信息化厅党组成员、副厅长翟刚在论坛上表示,四川钒资源储量约占全国总储量的63%,大部分集中在四川攀西地区。其中,攀钢集团钒产业国内第一,目前也是世界排位第一。在四川省“5+1”现代产业体系中,提出加快建设钒钛钢铁稀土等先进材料产业。钒电池,曾经在2018年火过一阵。伴随钒电池概念的兴起,2018年的攀钢钒钛因掌握上游资源被资金热炒。当年9月到10月间,攀钢钒钛(000629,SZ)股价上涨超过了50%。不过钒电池的商业应用迟迟未有突破,炒作幅度自然无法与成熟的锂电池板块相比拟。从规模看,截至2019年底,中国已投运储能项目累计装机规模32.4GW,其中电化学储能的累计装机规模位列第二。这当中,锂离子电池的累计装机规模最大,为1378.3MW,占比80.6%;钒电池为代表的液流电池装机规模仅有20.52MW,占比1.2%。不过钒电池的装机量正在逐步增长,据国际钒技术委员会统计,全球在运行的钒电池项目达到113个,总装机为39.664MW,总容量为209.8MWh。四川星明能源环保科技有限公司副总工程师张忠裕表示,2020年上半年,国内外钒电池生产和应用市场已逐渐活跃。“钒电池现在处于商业化前期,它主要应用于新能源储能环节。”张忠裕告诉《每日经济新闻》记者,储能是钒电池的最大优势,特别适用风力发电、光伏发电的储能环节,“像光伏发电主要在白天作业,晚上没有阳光怎么办?”中国科学院金属研究所研究员严川伟表示,新能源产业链的储能需求,对钒电池这类液流电池来说是刚性需求。“储能必须做到能源安全,要求电池具备稳定性。大规模储能环节,钒电池安全的稳定性就很高。”严川伟对《每日经济新闻》记者表示,根据《关于促进储能技术与产业发展的指导意见》,以10%为配比,2020年光伏发电储能达到6GW,储能金额为300亿元。不只是光伏,电网削峰填谷同样存在巨大的储能需求。商业化突破需降低成本通常来说,钒电池都会被用来与锂电池比,但严川伟认为这样的比较并不科学。严川伟表示,锂电池和钒电池的应用场景不一样,比较优势不一样,缺点也是各不相同。更为关键的是,锂电池已经进入成熟的商业化运作,钒电池距离这一市场水平还有一段路要走。“锂电池的理论和应用很成熟,能量密度很高,这是优势。但钒电池是用于规模电力的用途。”严川伟说,这涉及到不同的产业环节,钒电池适合大容量储能应用,锂电池则涉及小容量。基于不同的应用场景,两种电池展现的技术优势也各不一样。钒电池充放电不涉及固相反应,电解液使用的损耗非常小。基于这一优势,钒电池用于大规模电力储能时,会减少传输阶段的电力损耗。张忠裕说,况且钒电池体量比锂电池大,这决定它很难直接用于新能源汽车。但需要注意的是,钒电池虽然展示了在储能领域的技术优势,可商业化进程为何没有大的突破?“主要还是成本太大。”张忠裕说,他此次在论坛的报告主题就是降低钒电池成本,“10kW/40kWh钒电池储能系统为例,储能系统成本占比最大为钒电解液成本,占总成本的41%,电堆成本达到37%,两者总和达到78%。降低钒电池价格最有效的办法就是降低钒电解液及电堆的生产成本。”严川伟表示,降电堆成本就是要开发低成本材料、提高电流密度,降电解液成本就是要有低成本的钒源、低成本技术路线。张忠裕说,钒电池的材料成本高,“主要是没有大规模商业化,缺乏产业配套的企业。产业成熟,规模经济起来了,单位成本就会降低。”另一方面,张忠裕认为,钒电池产业环节具有较高的门槛,即初始的投资要求较高,“虽然拉长时间周期,整体成本和锂电池差不多。但它的初始投入资金就高出很多。”所以,严川伟也建议企业要进入钒电池领域,需要明确在产业链的定位。严川伟和张忠裕均表示,钒电池解决了经济性问题,那么产业化和商业化的那天就能很快到来。但也有业内人士表示,钒电池是钒需求潜在增长点,但不确定性很大,“有一定前景,仍需要通过示范工程验证”。不过总体来看,钒电池的未来还是被广为看好,钒矿资源也会有需求。

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中国科学家研发出新一代全钒液流电池电堆

中国科学院大连化学物理研究所(以下简称“大连化物所”)11日发布消息称,该所研究员李先锋、张华民领导的科研团队近日成功研发出新一代低成本、高功率全钒液流电池电堆。风能、太阳能等可再生能源固有的随机性、间歇性、波动性、直接并网难等特性,一定程度上限制了可再生能源的发展利用。全钒液流电池是一种高性价比、高能效、长寿命的规模储能技术,其可将不稳定的可再生能源储存,并实现平稳输出利用。经测试,该电堆在30千瓦恒功率运行时,其能量效率超过81%,100个循环容量无衰减。据介绍,全钒液流电池储能系统由电堆、电解质溶液、管路系统等组成,其中电堆起到了至关重要的作用。而相对于传统全钒液流电池电堆,新一代电堆采用的可焊接多孔离子传导膜可以提升离子选择性,提高电解液的容量保持率,此外,多孔离子传导膜的成本远低于商业化的全氟磺酸膜,从而可大幅度降低电堆成本。“我们通过应用自主研发的可焊接多孔离子传导膜,实现了对电池电堆组装工艺的改进。”大连化物所研究员李先锋表示,新一代全钒液流电池电堆不但保持了传统电堆的高功率密度,相比传统电堆,其总成本也下降了40%。大连化物所方面表示,新一代全钒液流电池电堆的成功研发,将大幅度降低全钒液流电池系统的成本,推动全钒液流电池的产业化应用。上述工作得到了中国科学院“变革性洁净能源关键技术与示范”战略性先导科技专项、国家自然科学基金等项目的支持。(完)

作者: 杨毅 详情

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