儲(chǔ)能電池與動(dòng)力電池應(yīng)用前景分析

儲(chǔ)能電池與動(dòng)力電池應(yīng)用前景分析1電池的基本原理：二次電池（Rechargeablebattery)：又稱(chēng)為充電電池或蓄電池，是指在電池放電后可通過(guò)充電的方式使活性物質(zhì)激活而繼續(xù)使用的電池。基本原理：利用化學(xué)反應(yīng)的可逆性，可以組建成一個(gè)電池，即當(dāng)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能之后，還可以用電能使化學(xué)體系修復(fù)，然后再利用化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能。2電池原理二次電池的組成：正極材料，負(fù)極材料，集流體，電解液或固態(tài)電解質(zhì)，隔膜（全固態(tài)電池一般不需要隔膜），外殼鋰電池電芯的組成：正極材料，負(fù)極材料，集流體（銅箔，鋁箔），電解液，隔膜，導(dǎo)電劑，粘結(jié)劑正極材料占據(jù)電芯成本中50%左右的比例，并且是制約電池能量密度提高的主要因素。隔膜國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的質(zhì)量與國(guó)外相比依然有很大差距，高端產(chǎn)品普遍采用進(jìn)口隔膜，國(guó)內(nèi)隔膜主要用于低端產(chǎn)品，且隔膜產(chǎn)品毛利率很高，尤其是進(jìn)口產(chǎn)品。電池外殼（不銹鋼）也存在同樣的問(wèn)題。粘結(jié)劑：傳統(tǒng)粘結(jié)劑為PVDF（需要油系溶劑NMP，成本高）；新型粘結(jié)劑CMC，可以用水系溶劑，工業(yè)生產(chǎn)已大量應(yīng)用。研究的核心關(guān)注點(diǎn)在正極材料和負(fù)極材料。3電池組成4根據(jù)電池的用途，可將電池分為儲(chǔ)能電池和動(dòng)力電池：性能儲(chǔ)能電池動(dòng)力電池比能量適中即可高容量MWh級(jí)kWh級(jí)成本低較高循環(huán)次數(shù)>10000>3000輸出功率適中即可高倍率性能適中即可好耐振動(dòng)性低高安全要求較高高電池分類(lèi)儲(chǔ)能：主要是指電能的儲(chǔ)存。主要應(yīng)用：1.風(fēng)電光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，儲(chǔ)能技術(shù)在很大程度上解決了新能源發(fā)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電的平滑輸出，能有效調(diào)節(jié)新能源發(fā)電引起的電網(wǎng)電壓、頻率及相位的變化，使大規(guī)模風(fēng)電及光伏發(fā)電方便可靠地并入常規(guī)電網(wǎng)；2.電力系統(tǒng)自身對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)擁有迫切的需求，主要用于實(shí)現(xiàn)電力的削峰填谷、調(diào)頻、改善電力供需矛盾、提高發(fā)電設(shè)備利用率、發(fā)展智能電網(wǎng)；3.分布式發(fā)電、微電網(wǎng)、應(yīng)急儲(chǔ)能。主要方式：電化學(xué)儲(chǔ)能（電池，電感器，電容器）、機(jī)械儲(chǔ)能（壓縮空氣，飛輪，抽水）、超導(dǎo)儲(chǔ)能。5儲(chǔ)能電池其他儲(chǔ)能技術(shù)的問(wèn)題：機(jī)械儲(chǔ)能：抽水儲(chǔ)能，和壓縮空氣儲(chǔ)能對(duì)地形有特殊要求，且能量轉(zhuǎn)化率較低；飛輪儲(chǔ)能?chē)?guó)內(nèi)尚在研究階段，主要受制于碳纖維的質(zhì)量，歐洲有較為成熟的產(chǎn)品，但市場(chǎng)份額有限，且成本較高。超導(dǎo)儲(chǔ)能：處于研發(fā)階段，運(yùn)行時(shí)需要低溫，因此運(yùn)營(yíng)成本高，材料自身的成本也很高。超級(jí)電容器：處于研發(fā)階段，且成本較高，短時(shí)間內(nèi)沒(méi)有顯著的商業(yè)價(jià)值。6儲(chǔ)能電池典型的儲(chǔ)能電池：NaS電池，液流電池（V液流電池為主），熔鹽電池，鋰離子電池，鈉鎳鹽電池，鉛酸電池，改性鉛酸電池，鎳鎘電池。7儲(chǔ)能電池儲(chǔ)能電池性能的大體比較：8儲(chǔ)能電池儲(chǔ)能電池93種重要的儲(chǔ)能電池：NaS電池，液流電池，熔鹽電池儲(chǔ)能電池—NaS電池10NaS電池被認(rèn)為是目前市場(chǎng)上最具活力，且應(yīng)用范圍最廣的儲(chǔ)能電池。優(yōu)勢(shì)：制造成本與原材料成本低，市場(chǎng)應(yīng)用成熟，無(wú)自放電效應(yīng)。缺點(diǎn)：運(yùn)行溫度較高，容易發(fā)生安全事故；高溫下金屬鈉有腐蝕性，影響循環(huán)性能；功率密度不夠高。國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展：日本NGK公司是世界上生產(chǎn)商業(yè)化NaS電池的標(biāo)的企業(yè)，幾乎處于壟斷地位。我國(guó)鈉硫電池的實(shí)際應(yīng)用已基本完成了示范階段。2010年1月我國(guó)自主研制的100kW/800kWh鈉硫電池儲(chǔ)能站在上海成功并網(wǎng)運(yùn)行。目前，我國(guó)尚沒(méi)有可生產(chǎn)商業(yè)化NaS電池的企業(yè)。儲(chǔ)能電池—液流電池11液流電池中相對(duì)技術(shù)成熟的是V液流電池。優(yōu)勢(shì)：綠色環(huán)保，市場(chǎng)應(yīng)用成熟，使用壽命長(zhǎng)，可深度大電流密度充放電，安全，容量大等。缺點(diǎn)：材料成本較高，離子交換膜性能有待提高。國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展：加拿大VRBPowerSystems公司，日本住友電工是國(guó)際上生產(chǎn)商業(yè)化V液流電池的領(lǐng)軍企業(yè)。我國(guó)V液流電池生產(chǎn)尚處于示范階段，相關(guān)技術(shù)已接近國(guó)際水平。儲(chǔ)能電池—熔鹽電池12熔鹽電池被認(rèn)為是未來(lái)比較有潛力的儲(chǔ)能電池。優(yōu)勢(shì)：制造成本與原材料成本低，使用壽命長(zhǎng)，循環(huán)穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)：運(yùn)行溫度較高，高溫液態(tài)金屬具有一定腐蝕性。近期技術(shù)突破：日本住友電工研發(fā)出以亞鉻酸鈉為正極的熔鹽蓄電池，運(yùn)行溫度僅為65攝氏度解決了安全性的問(wèn)題，而成本僅為165美元/kWh。具有較低的體積密度和極好的倍率性能，已進(jìn)入示范階段。液態(tài)金屬電池技術(shù)于近期取得重大突破，該技術(shù)由MIT研究多年，最新成果于2014年10月發(fā)表在Nature上，亮點(diǎn)在于將材料成本從375美元/kWh降至67美元/kWh，且電池具有極好的循環(huán)穩(wěn)定性，運(yùn)行10年容量不衰減，在未來(lái)的儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)⒂幸欢ǖ膽?yīng)用。儲(chǔ)能電池—技術(shù)突破13鋁離子電池：優(yōu)勢(shì)：低成本，安全，容量高。之前的問(wèn)題：正極材料易破碎，放電電壓低，循環(huán)性能差，實(shí)驗(yàn)無(wú)法測(cè)量到理論的放電平臺(tái)。近期技術(shù)突破：三維石墨泡沫正極解決了正極材料穩(wěn)定性的問(wèn)題；放電電壓高，符合理論值；擁有極好的庫(kù)倫性能，倍率性能和循環(huán)性能。動(dòng)力電池—第二代鋰離子電池14動(dòng)力電池：為工具提供動(dòng)力來(lái)源的電源，多指為電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)提供動(dòng)力的蓄電池。第二代鋰離子電池在目前的動(dòng)力電池領(lǐng)域具有絕對(duì)的不可替代性。日本，韓國(guó)處于世界領(lǐng)先地位。優(yōu)勢(shì)：高比能量，高比功率，高效率，室溫運(yùn)行。缺點(diǎn)：高成本，循環(huán)性能差，存在潛在的危險(xiǎn)性。核心點(diǎn)：正、負(fù)極材料負(fù)極材料：天然微晶石墨，人造石墨，Si具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，還處于研發(fā)階段。正極材料：鈷酸鋰，磷酸鐵鋰，錳酸鋰，三元體系。正極材料是第二代鋰電池研究的重點(diǎn)，也是制約其比能量，進(jìn)而制約電動(dòng)汽車(chē)巡航里程的最大障礙。動(dòng)力電池—第二代鋰離子電池15主要正極材料性能的對(duì)比：鈷酸鋰（LCO）鎳鈷錳酸鋰（NCM）錳酸鋰（LMO）磷酸鐵鋰（LFP）鎳鈷鋁酸鋰（NCA）電壓平臺(tái)（V）3.73.63.83.33.7比容量（mAh/g）150160120150170振實(shí)密度（g/cm^3）2.8-3.02.0-2.32.2-2.41.0-1.42.0-2.4優(yōu)點(diǎn)充放電穩(wěn)定，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單電化學(xué)性能好，循環(huán)性能好成本低，安全性能好安全性能好，環(huán)保，循環(huán)性能好能量密度高，低溫性能好缺點(diǎn)成本高，循環(huán)性能差成本較高能量密度低，電解質(zhì)相容性差低溫性能差，放電電壓低高溫性能差，安全性差，生產(chǎn)技術(shù)難度大動(dòng)力電池—磷酸鐵鋰電池16代表企業(yè)：比亞迪優(yōu)勢(shì)：低成本，較好的循環(huán)性能，安全性好，環(huán)境友好。缺點(diǎn)：振實(shí)密度低，導(dǎo)電性差，低溫性能差，量產(chǎn)產(chǎn)品性能穩(wěn)定性差。核心點(diǎn)：低振實(shí)密度導(dǎo)致電池體積較大，在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的制約。動(dòng)力電池—三元電池17代表企業(yè)：特斯拉（松下），杉杉股份優(yōu)勢(shì)：較好的循環(huán)性能，較高的比容量。缺點(diǎn)：低溫性能差，成本較高，合成難度較大，導(dǎo)電性差。核心點(diǎn)：解決了鈷酸鋰循環(huán)穩(wěn)定性差的問(wèn)題。研究熱點(diǎn)：摻雜Al，F(xiàn)e等元素，改善其導(dǎo)電性，產(chǎn)生更多富Li結(jié)構(gòu)，提高比容量。動(dòng)力電池的未來(lái)—LiS電池18單質(zhì)硫：高的理論比容量(1675mAh/g)，理論比能量為2600Wh/kg，低成本，低溫穩(wěn)定性好。存在的問(wèn)題：?jiǎn)钨|(zhì)S不導(dǎo)電，且循環(huán)性能極差，存在飛梭效應(yīng)，安全性不好。電池的其他前沿應(yīng)用19全固態(tài)鋰電池：安全性極好，潛在循環(huán)穩(wěn)定性好，但固態(tài)電解質(zhì)導(dǎo)致離子遷移速度較慢，界面問(wèn)題也難以解決。柔性鋰離子電池：用于柔性器件，可穿戴設(shè)備等。薄膜電池：全固態(tài)鋰電池的一種，可以做到非常小的體積，用于微型電子器件的供電；還可以用于光伏產(chǎn)業(yè)，可做成全透明；潛在的柔性電池。金屬空氣電池：具有極高的理論比能量，目前尚處于研發(fā)階段，距離應(yīng)用還有較長(zhǎng)的距離。鎳氫，鎳鎘電池：在某些領(lǐng)域具有不可替代性，但市場(chǎng)較小。燃料電池：與鋰離子電池并行發(fā)展的另一種新型電池，未來(lái)前景廣闊?？偨Y(jié)——個(gè)人觀點(diǎn)20儲(chǔ)能電池領(lǐng)域：1.NaS電池，及與之類(lèi)似的鈉鎳鹽電池（GE）是大規(guī)模儲(chǔ)能的