中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：第十二屆中國國際儲(chǔ)能大會(huì)演講速記如下：
侯肖瑞：大家經(jīng)常提到儲(chǔ)能，可能第一印象就是鋰離子電池，今天我為大家提供一種新的思路，講一講賁安能源公司的綠色安全型水系金屬離子電池。
第一部分：背景介紹
從背景來講，隨著現(xiàn)在化石能源的不斷消耗，未來的能源載體肯定會(huì)發(fā)生巨大的變革，包括我們現(xiàn)在已經(jīng)在大力推廣的風(fēng)電和光儲(chǔ)，除此之外氫能源現(xiàn)在已經(jīng)成為主要發(fā)達(dá)國家的兵家必爭之地。儲(chǔ)熱主要是熔鹽儲(chǔ)熱和相變儲(chǔ)熱，這項(xiàng)技術(shù)也會(huì)進(jìn)一步提高能源的利用效率。
今天大家匯聚于此的主要目的就是探討新型的儲(chǔ)能技術(shù)，電化學(xué)儲(chǔ)能是現(xiàn)今最主要的技術(shù)路線之一。電化學(xué)儲(chǔ)能是和物理儲(chǔ)能來對比區(qū)分的，物理儲(chǔ)能一般指的是我們經(jīng)常說的飛輪儲(chǔ)能或者是蓄水儲(chǔ)能，而電化學(xué)儲(chǔ)能主要是依靠電化學(xué)反應(yīng)。現(xiàn)在儲(chǔ)能市場上涌現(xiàn)的各種電池，比如鈦酸鋰電池、鋰離子電池、釩液流電池、鐵-鉻液流電池以及鈉離子電池、有機(jī)鈉離子電池等都屬于電化學(xué)儲(chǔ)能電池。電化學(xué)儲(chǔ)能正呈現(xiàn)強(qiáng)勁勢頭,進(jìn)入快速發(fā)展階段，未來也將擁有更多的市場份額。
儲(chǔ)能是智能電網(wǎng)、可再生能源以及能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)和核心支撐。新能源電池在輸電和配電的應(yīng)用有兩種，一個(gè)是調(diào)頻，一個(gè)是調(diào)峰，對于倍率比較大的電池，主要應(yīng)用在調(diào)頻。而對于一些長時(shí)效，比如時(shí)效是2小時(shí)、4小時(shí)甚至10個(gè)小時(shí)的這類電池，主要應(yīng)用在削峰填谷。從中間輸配電往兩邊去看，發(fā)電側(cè)主要是用在新能源的接入，比如現(xiàn)在風(fēng)電、光伏和新能源的接入。光伏和風(fēng)電最大的特點(diǎn)是電能具有不穩(wěn)定性以及間歇性，這些電發(fā)出來可以說是有用的，但是不能直接接入電網(wǎng)。大家也知道所有的電必須發(fā)出來第一時(shí)間就被使用，否則電網(wǎng)是一度電都存不住的。所以說光伏或者風(fēng)電發(fā)的電要存儲(chǔ)在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，以一個(gè)平穩(wěn)的、連續(xù)的方式輸送到電網(wǎng)，這樣的電才是有效的電，否則就形成了我們今天經(jīng)常談到的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。
在用戶側(cè)儲(chǔ)能主要是用在一些臨時(shí)狀況，比如電力供應(yīng)停止；或者是在一些地廣人稀的地方，10個(gè)人或者幾十個(gè)人的村莊拉一個(gè)電網(wǎng)也不太現(xiàn)實(shí)，我們可以用光伏或者是能源共存的方式，給這些地方供電。
鋰電池發(fā)展歷史比較悠久，主要材料是大家耳熟能詳?shù)娜⒘姿徼F鋰、錳酸鋰，負(fù)極材料就是石墨或者磷酸鈦鋰。電池的組成很簡單，最主要的是正負(fù)極材料和電解液，從電解液的角度來講，鋰離子電池用EC、PC或EMC，有一定的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和閃點(diǎn)，在兩三百度。它的正極材料，磷酸鐵鋰耐溫性好一點(diǎn)，可能是三四百度，一般的三元就是一兩百度。
所以從這個(gè)原理上來講，只能說它是存在著熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。所以在展覽的時(shí)候，我們可能會(huì)看到很多展位是以消防或者是液冷、風(fēng)冷，從系統(tǒng)的角度來解決。所以說鋰離子電池是存在著熱失控的風(fēng)險(xiǎn)，我們做了很多的工作，在保證電池發(fā)生熱失控的時(shí)候，這個(gè)熱量不會(huì)快速急劇蔓延，來保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全。當(dāng)然這一方面，我相信鋰離子電池的同行肯定做了很多工作，現(xiàn)在安全性得到了極大提高。
現(xiàn)在新能源汽車基本上都以鋰離子電池驅(qū)動(dòng)，它為什么可以？一個(gè)電池如果是70度電，也就是70kWh，相對儲(chǔ)能來說，容量是很小的。大家想所有的儲(chǔ)能最小的是MWh，一般是幾百甚至上GWh的儲(chǔ)能系統(tǒng)。這里就講到風(fēng)險(xiǎn)兩層不同的含義，風(fēng)險(xiǎn)評估有兩種，一種是評估風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生幾率有多少，還有一種是風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生之后我們能不能承受風(fēng)險(xiǎn)所帶來的后果。鋰離子電池是有這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)的，當(dāng)電池?cái)?shù)量急劇增加到1MWh或者GWh的時(shí)候，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)是一直在上升的。所以這也引發(fā)出本質(zhì)安全電池的研究路徑。
鋰電池的安全提升技術(shù)流線，大家公認(rèn)的就是固態(tài)電池，像日本的豐田，中國的蜂巢、清陶已經(jīng)投入了大量資源去研究固態(tài)鋰離子電池。固態(tài)鋰離子電池的隔膜是固態(tài)，所以不會(huì)存在著鋰枝晶穿透隔膜到達(dá)正極引發(fā)短路的情況，從而產(chǎn)生熱失控的風(fēng)險(xiǎn)，這是從基理上解決這個(gè)問題。另一種研究路徑是水系電池，因?yàn)樗惦姵刈鲭娊庖?，采用自來水或者是去離子水，或者有些無機(jī)電解質(zhì)鹽，水的比容量是很高的。這也是從電解液的本質(zhì)來解決電池的安全問題。
第二部分 水系金屬離子電池介紹
這里提到水系電池，我們常規(guī)見到的鉛酸電池和鎳鋅電池是轉(zhuǎn)化型的反應(yīng)，也就是在充放電過程中正極和負(fù)極會(huì)分別和電解液發(fā)生反應(yīng)，這就存在著電解質(zhì)的消耗和電解液的消耗，因?yàn)槊恳淮伟l(fā)生反應(yīng)的控?zé)嵝什豢赡苁前俜种?，哪怕?9.9%，每次都會(huì)消耗一點(diǎn)，所以從本質(zhì)上很難實(shí)現(xiàn)長壽命運(yùn)行。
賁安能源致力于中性水系電解液以及水系電池的開發(fā)，正負(fù)極材料都是采用離子嵌脫型的反應(yīng)，也就是這個(gè)離子會(huì)從正極脫出，經(jīng)過電解液嵌脫到負(fù)極當(dāng)中，它不會(huì)存在電解液的消耗，所以這個(gè)問題是從本質(zhì)上解決壽命短的問題，實(shí)現(xiàn)長壽命的循環(huán)。
正極材料
在水系電池里面，常用的正極材料無非就以下幾種，比如過渡金屬氧化物，這個(gè)就是我們經(jīng)常用到的各種類型的氧化錳，還有P2、P3型的層狀錳氧化物，是作為有機(jī)鈉離子電池的正極材料。層狀材料最大的特點(diǎn)是高比容量，因?yàn)樗梢郧睹摰碾x子比較多，可以插層。最大的缺點(diǎn)是穩(wěn)定性比較差，大家可以聯(lián)想到鋰電池的石墨，隨著循環(huán)的增加是不是會(huì)有石墨粉化的現(xiàn)象？也就是當(dāng)循環(huán)次數(shù)過多時(shí)，結(jié)構(gòu)就會(huì)崩塌。
有機(jī)電極最大的應(yīng)用場景應(yīng)該是在穿戴裝備上，現(xiàn)在還處于實(shí)驗(yàn)室階段。
接下來講一下普魯士藍(lán)，寧德時(shí)代做有機(jī)鈉離子電池的時(shí)候也做普魯士藍(lán)，我為什么這里也提了出來？因?yàn)樗部梢杂迷谒惦姵乩锩?。這是過渡金屬離子的鐵氰化合物，大家可以看到它的三維框架結(jié)構(gòu)是非常大的，可以適用于比較大的離子，所以它的穿梭或者是嵌入都沒有任何問題，這個(gè)材料用在大離子半徑的鋅、鎂或者鋁都是可以的。這個(gè)材料的制備基本上都是共沉淀反應(yīng)，共沉淀就有一個(gè)問題：結(jié)晶速率比較快，有一些空位或者結(jié)晶水。結(jié)晶水在有機(jī)鈉電里面，會(huì)隨著循環(huán)的進(jìn)行，結(jié)晶水會(huì)脫出，和有機(jī)電解液產(chǎn)生反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生“脹氣”現(xiàn)象，而在水系里面，這個(gè)結(jié)晶水，在里面也好，在外面也好，反正都是水，只要結(jié)構(gòu)不坍塌，都沒有問題。
然后是聚陰離子化合物，這個(gè)聚陰離子是四面體或者是八面體，它們是以共頂點(diǎn)或者是共邊的方式連接起來。一般所有的晶體結(jié)構(gòu)里面，這種晶格連接方式是最穩(wěn)定的，基本上不會(huì)坍塌。金屬離子是在中間，我們可以通過調(diào)節(jié)金屬離子的價(jià)態(tài)，或者是金屬離子的種類來定制這個(gè)材料的電化學(xué)電位，比如說摻錳或者是摻鉻就是完全不同的材料。
負(fù)極材料
簡單介紹一下常見的水系離子電池負(fù)極材料——活性炭，碳的基本電位都比較低，所以如果用活性炭做負(fù)極，是一個(gè)電容效應(yīng)。而我們采用剛才所講的氧化物是電池效應(yīng)，這樣實(shí)際上是電池和電容的混合電池。從原理上講反應(yīng)機(jī)理不一樣，能量密度也是比較低的。
現(xiàn)在能夠在水系里面做負(fù)極的層狀氧化物還是比較少的，一般都存在于實(shí)驗(yàn)室中，比如說三氧化鉬、釩酸鈉等。
磷酸鹽，就是NASICON框架結(jié)構(gòu)。磷酸鹽可能大家聽得比較多，磷酸鈦鈉、磷酸釩鈉、磷酸鐵鈉等都是，它的結(jié)構(gòu)和聚陰離子化合物的結(jié)構(gòu)是一樣的，通過調(diào)節(jié)金屬離子的種類來決定它是負(fù)極，氧化還原度比較低就可以做負(fù)極。如果摻鉻或者錳，氧化還原量比較高，就可以做正極。
關(guān)于普魯士藍(lán)類似物、聚陰離子化合物，我們賁安能源從這個(gè)方面已經(jīng)有將近十年的研究以及量產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，目前這兩種物質(zhì)都可以實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。
電解液
第三，講一下電池當(dāng)中的“血液”——水系電解質(zhì)，可以說是長期的痛點(diǎn)。因?yàn)?.23V，熱力學(xué)和電力學(xué)的東西是沒有辦法改變的。那么，如何在電池當(dāng)中抑制水的活性，降低電解質(zhì)中自由水的含量？當(dāng)電解質(zhì)中自由水的含量降低的時(shí)候，它的電化學(xué)窗口，看這個(gè)圖，隨著電化學(xué)窗口是可以擴(kuò)寬的。
從這個(gè)角度上來講，調(diào)節(jié)電化學(xué)窗口有幾種方式：
一是調(diào)控電解液的PH值，把正極的電解液PH值調(diào)到酸性，它的析氧定位會(huì)往上走。把負(fù)極調(diào)到堿性，析氫電位會(huì)往下走，通過這種方式拓寬它的電化學(xué)窗口。如果一個(gè)電池把正負(fù)極電解液分開，理論上可以實(shí)現(xiàn)，但是工程上很難實(shí)現(xiàn)，如果要用，中間的就要用質(zhì)子交換膜，可能從目前工程化應(yīng)用來說很難實(shí)現(xiàn)。
二是高濃度鹽電解液，很早之前我們提到water-in-salt，比如說用17%的高氯酸鈉，完全沒問題，可能10個(gè)高氯酸鈉分子外面只有一個(gè)水分子，這個(gè)水分子根本沒有辦法電解，這也是可以的，但是成本比較貴。
三是極性質(zhì)子溶劑雜化電解液，這個(gè)作用主要是降低氫氧根的數(shù)量，以此來提升電化學(xué)窗口。提升較少，但成本低。
四是凝膠準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)，這可以實(shí)現(xiàn)，但是可能會(huì)帶來電池的倍率性能的降低。
所以水系電解質(zhì)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)，永遠(yuǎn)是研究的機(jī)理以及工程化應(yīng)用之間的balance。我們公司的研發(fā)團(tuán)隊(duì)做了各種各樣的嘗試，目前我們水系的電化學(xué)窗口能夠擴(kuò)寬到3.8V，并且能夠?qū)崿F(xiàn)零下110度的低溫運(yùn)行。
第三部分 賁安能源
賁安能源成立于2017年，但是在此之前我們已經(jīng)在中科院做了十余年的水系離子電池的研究。與此同時(shí)，產(chǎn)品已經(jīng)在歐洲實(shí)現(xiàn)了銷售，在新加坡、中國及美國都設(shè)有全球研發(fā)中心。
我們的水系鈉離子電池，和有機(jī)鈉離子電池區(qū)分開，水系鈉鹽電池是本質(zhì)安全、高性能、長壽命、綠色制造。這是一個(gè)簡單的對比表，我們的水系鈉鹽電池、有機(jī)鈉離子電池、鋰離子電池、鉛酸電池的對比，因?yàn)殡娊庖菏怯盟?，安全性是完全不用考慮的。和鉛酸電池相比，它的循環(huán)壽命可以達(dá)到8000次，因?yàn)閷λ?、氧氣的要求是很低，對產(chǎn)線基本上沒有任何要求，可以開放式的裝備環(huán)境中都可以做。
講一下我們公司的產(chǎn)品。它的幾個(gè)特點(diǎn)，一個(gè)是本質(zhì)安全，是和鋰電池的風(fēng)險(xiǎn)相對來講的。從兩個(gè)方面來講它的本質(zhì)安全，鋰電池的正極材料的熱分解溫度最高能到400度，這樣我們用的材料，就剛才所說的磷酸鹽，或者是聚陰離子化合物，這些材料都是經(jīng)過高溫合成，最高溫度耐受性會(huì)達(dá)到1000度，所以這個(gè)材料從材料本身，不會(huì)在循環(huán)過程中產(chǎn)生一些熱分解的反應(yīng)。還有一個(gè)是電解液，電解液就是無機(jī)鹽的水溶液，由于水的高比熱容，不可能產(chǎn)生巨大的副反應(yīng)。再加上電池所用的外殼都是阻燃的，完全沒有問題。更苛刻的實(shí)驗(yàn)是直接外部火焰的燃燒，我們把電池放在測試架上，外面就澆上汽油，點(diǎn)燃汽油，汽油燃燒了20分鐘，20分鐘之后汽油燃燒沒有了，這個(gè)電池都不會(huì)發(fā)生任何反應(yīng)。放在那邊，它沒有爆炸，也無復(fù)燃情況發(fā)生。所以從電化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理上和材料本身上，可以證明本質(zhì)安全。
原材料儲(chǔ)量豐富，維護(hù)成本低。
目前水系鈉鹽電池的應(yīng)用，供貨給歐洲的應(yīng)用場景是戶用儲(chǔ)能，以光伏+儲(chǔ)能的形式，在歐洲的白天光伏儲(chǔ)電，晚上用電。目前一直在出貨，現(xiàn)在不止15MWh，可能有50MWh了。
還有一個(gè)是新能源的接入，風(fēng)光儲(chǔ)，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲(chǔ)能，現(xiàn)在國家對這方面的要求還是很高的。當(dāng)前風(fēng)光的裝機(jī)量是350GWh，而儲(chǔ)能的裝機(jī)量可能只有50GWh，現(xiàn)在要求安裝光伏發(fā)電的時(shí)候，或者是安裝風(fēng)力發(fā)電的時(shí)候，儲(chǔ)能是要同步配置的。在風(fēng)光儲(chǔ)上面，我們有一個(gè)可以安裝集裝箱式的儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的并網(wǎng)運(yùn)行。還有一個(gè)是可以是實(shí)現(xiàn)削峰填谷，保障電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行，比如晚上充電，早高峰放電。對于削峰填谷，水系電池的主要應(yīng)用市場是中長時(shí)效儲(chǔ)能，比如2小時(shí)、4小時(shí)甚至10小時(shí)，是完全沒有問題的。
另外一個(gè)比較大的應(yīng)用市場是通信基站和UPS，水系電池和鉛酸電池很像，我們完全可以取代鉛酸電池做長時(shí)間的浮充，做UPS的備件系統(tǒng)。目前這個(gè)電池我們在東南亞，通過國家電網(wǎng)的測試并獲得認(rèn)可。從2020年4月起，已在東南亞穩(wěn)定供貨超過2500個(gè)變電站規(guī)模，2022年持續(xù)中標(biāo)海外項(xiàng)目，供貨12500個(gè)變電站規(guī)模。
2021年我們也參與了三峽集團(tuán)《烏蘭察布“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”關(guān)鍵技術(shù)研究與示范》，當(dāng)時(shí)是6MWh的儲(chǔ)能集裝箱，昨天和前天中央二套的新聞上，第一個(gè)畫面就是我們的水系鈉離子儲(chǔ)能技術(shù)。
前面我講了那么多賁安能源，也隆重把我們賁安能源的公眾號介紹一下。BENAN是我們自己取的名字，賁安也是本征安全的意思。“賁”字在詩經(jīng)中是光彩之貌，所以也希望我們的電池或者是我們的儲(chǔ)能技術(shù)能夠本征安全，大放光彩。謝謝各位！
