中國儲能網(wǎng)訊：5月24～26日，由工業(yè)和信息化部節(jié)能與綜合利用司與國家能源局能源節(jié)約和科技裝備司聯(lián)合指導，中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會主辦并聯(lián)合240余家機構(gòu)共同支持的第十三屆中國國際儲能大會在杭州召開。
來自行業(yè)主管機構(gòu)、國內(nèi)外駐華機構(gòu)、科研單位、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機構(gòu)等不同領域的1011余家產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈企業(yè)，5417位嘉賓參加了本屆大會，其中245家企業(yè)展示了儲能產(chǎn)品，可謂盛裝出席，涵蓋系統(tǒng)集成、電芯、PCS、BMS、集裝箱、消防、檢測認證等新型儲能全產(chǎn)業(yè)鏈。
5月25日下午，深圳市拓邦鋰電池有限公司研發(fā)總監(jiān)陶芝勇受邀在鋰離子電池與儲能系統(tǒng)設計專場分享了主題報告，報告題目為《儲能電池設計和工藝發(fā)展趨勢》。以下是報告主要內(nèi)容：
陶芝勇：各位專家，各位嘉賓，各位同行，下午好！非常高興和大家分享一下我的演講題目《儲能電芯的設計和工藝發(fā)展趨勢》。
開篇先提出我的小觀點，未來儲能電池是往大容量、低成本、高安全和長壽命的方向發(fā)展。當然，前一段時間歐陽院士提出了大容量的鐵鋰電芯有爆燃的風險，但我們認為大方向是不會變的，留給我們的技術(shù)難題需要各位一起努力去解決。
圍繞著儲能電芯的三大核心指標，我們該做哪些選擇？我從以下幾方面去做一個分享：封裝方式、電芯結(jié)構(gòu)、工藝、充放電方式、材料體系和控制方法。
首先分享一下封裝。方形電芯，這在儲能里尤其是大儲能里，是占絕對的主導地位，因為它固有的優(yōu)點，首先是容量可以做的很大，相對成本也比較低，壽命是排在相對前面的。方形儲能目前的情況，主要是大家的型號沒有完全統(tǒng)一，但是隨著280Ah的出現(xiàn)，大家選的大儲能型號基本都一樣。我在這里主要是希望大家做一個探討，將來我們的鋁殼電芯做更大以后，可能要考慮一下尺寸效應，就像歐陽院士提到的，電池做大以后要規(guī)避一些散熱難、內(nèi)阻大、循環(huán)差的問題。所以我個人更傾向于以后可能要做成類刀片電池或者說雙頭極柱的，或者兩者結(jié)合起來。
圓柱電芯，圓柱在容量不大的儲能系統(tǒng)里還是有它的獨特優(yōu)勢的，尤其這兩年大圓柱電芯的工藝得到了很大的提升。我們現(xiàn)在看這種全極耳工藝已經(jīng)比之前的18650或21700這種單極耳、雙極耳有很大的提升，主要的提升是導流和導熱能力。得益于工藝的發(fā)展，大圓柱在很大一部分儲能系統(tǒng)里得到很大的推廣，它也有它的局限性，由于注液方式的原因，電解液得用特殊的溶劑，因為圓柱厚了以后，注液特別困難。
軟包電芯，它的獨特優(yōu)點就是能量密度可以做到特別高，在三類封裝方式里，能量密度是最高的。另外，它還適合做大倍率或超大倍率放電，尤其是超過30C以上的，非常適合軟包。軟包的主要問題是成本確實比較高，整個工藝略復雜，而且PACK的成本相對比較高，要給它做支架，做剛性處理。所以目前來講，國內(nèi)拿軟包電芯做PACK或者儲能的不多，派能是其中一家，其他的可能選擇的不多。
我們拓邦三種電芯都做，所以我們內(nèi)部做了一個小結(jié)，我們認為在儲能電芯方面，尤其是大儲能，還是方形鋁殼略占優(yōu)，其次可能是圓柱，這個圖的對比是給大家分享的結(jié)果。從經(jīng)濟性和安全性以及性能的分析，我們得出這么一個結(jié)論。
接下來，給大家分享一下材料方面的選擇。剛剛嘉賓也介紹了動力電池方面的一些情況，我們在過去的十年，不管是動力電池還是儲能電池，都在追求高能量密度的路上走了很遠很遠，從最早的111三元體系，到523、622、811，做到極致就是“高鎳+硅碳”，再加上固態(tài)電解質(zhì)，能量密度可以到400wh/kg以上。另外還有一種選擇，就是把高鎳這個體系降下來，選擇鎳55這個體系，為什么這么選呢？因為高鎳材料確實能量密度很高，但是安全性來講，要比其他體系略差，所以業(yè)界還有一種選擇，就是做單晶化的鎳55體系。因為多晶的三元，它有一個問題，就是在循環(huán)過程中不可避免的產(chǎn)生晶界分裂，會帶來安全以及壽命上的問題。
磷酸鐵鋰電池，我們從這張圖上可以看得出來，它的熱穩(wěn)定性確實要比三元體系好很多，純材料來講，它的分解溫度要比三元體系高很多?？梢钥吹贸鰜恚钣疫叺膱D，在熱箱實驗里，在180度的情況下，鐵鋰體系基本上不會產(chǎn)生熱失控的現(xiàn)象。
再看安全，從目前大部分行業(yè)內(nèi)或者國標的測試來看，鐵鋰的通過率是最高的，所以目前來講如果是做儲能的話，如果從安全的角度上來講，磷酸鐵鋰依然是一個最優(yōu)選。
從最近這幾年的鐵鋰體系來看，大家主要還是追求高壓實路線，目前行業(yè)鐵鋰的壓實可以達到2.65左右，前幾年還是在2.4左右。鐵鋰原材料的廠家現(xiàn)在經(jīng)過努力以后，把燒結(jié)工藝提升之后，可以基本上滿足鐵鋰能量密度最大化的要求。
給大家介紹一下這兩年比較火的磷酸錳鐵鋰，它在我們公司也做過了規(guī)?；闹性?，我們給它的結(jié)論是能量密度確實很高，比鐵鋰高20%左右。理論上它是可以提高25%，但是實際上由于現(xiàn)在國內(nèi)的供應商對鐵錳的配比還有一些差別，加上它主要提高的是平臺電壓，所以可能感覺不明顯，但我們認為它是儲能體系的一個有潛力的后備。磷酸錳鐵鋰可能還要解決放電曲線對用電負載的問題，一般用的話，要和三元鐵錳鋰或者錳酸鋰去混配，對這個曲線做一些優(yōu)化的調(diào)整。我預估可能在明年或者后年，磷酸錳鐵鋰的產(chǎn)品會有一定的規(guī)模。
接下來再講一下在儲能體系鈉電的應用場景。我們公司對鈉電儲能研究已經(jīng)有幾年的時間，其實鈉電有幾個優(yōu)勢，首先它的成本可以做的很低，從理論上來講，它應該是可以比鐵鋰要起碼降低成本30%以上。從它的技術(shù)路線來看，目前國內(nèi)基本上是選擇層狀氧化物為主，普魯士藍和普魯士白比較少。負極基本上就是硬碳，但是硬碳在過去的十年內(nèi)，國內(nèi)的硬碳技術(shù)進步不是很快，但是這兩年硬碳研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化速度明顯加快，是因為過去的兩年碳酸鋰的價格漲的太快，讓鋰電行業(yè)的成本壓力巨大，你繼續(xù)做可能虧本，不做訂單又不能交，所以催生了鈉電的加速。目前鈉電里進步最快的是硬碳和層狀氧化物，目前國內(nèi)能量密度可以做到160wh/kg，循環(huán)壽命可達3000次左右。離我們對儲能的要求還是有點差距，所以鈉電我們還得觀察，可能到今年年底到明年。
我簡單講一下結(jié)構(gòu)設計方面的關(guān)鍵問題。現(xiàn)在的儲能電池往大容量做的話，基本上是異端極柱，它的主要優(yōu)勢是散熱和溫升。從這張圖可以看得出來，左邊的圖是異端極柱的，它的平均溫升比同端極柱要低很多，像這種結(jié)構(gòu)設計，基本上是業(yè)界比較認同的，在長寬比接近1，或者極柱越寬、極耳越寬的設計，是比較有利散熱的。
現(xiàn)在業(yè)內(nèi)都普遍應用的隔膜涂膠和極邊涂膠，目的就是散熱和去除毛刺，提高電池的一致性。
接下來和大家分享的是儲能電芯方面成本的控制。從這個結(jié)構(gòu)圖可以看得出來，這里面成本最大的就是正極，極端的情況下，可以占到57%，碳酸鋰那個時候最高達到了60萬/噸?，F(xiàn)在降下來了，但占比最高的還是正極。其實我們降本的手段無非那幾種，性能滿足就好，不要過剩，用標準化來取代定制。因為做定制得有一個逐步爬坡的過程，還得有一個規(guī)?；倪^程，所以定制比不上標準化，盡量用簡單的結(jié)構(gòu)取代復雜的結(jié)構(gòu)，減少物流成本，從而達到電芯降本的目的。
第二是做減法，這就有很多方案了，剛才嘉賓也提到了CTC和CTP，去掉中間環(huán)節(jié)，去掉過多的導電劑，去掉不必要的電解液用量。為了減掉百分之一的用量，可能做很多試驗。因為電池里要減一些東西，得考察它的壽命，所以其實電池廠大部分的開發(fā)時間就花在觀察和反復驗證的過程里。
給大家分享一下儲能電池的壽命優(yōu)化。目前來講，從我們這次的儲能大會也看得出，目的都是為了提升電芯的性價比，降低電芯生命周期的成本。這里面最關(guān)鍵的就是要把電池的壽命做高，這樣生命周期內(nèi)的成本就會低。如果你要做工商儲，電池壽命沒有萬次以上，可能成本就控不下來，甚至虧損。
電池的壽命提升，在我們這20年的鋰電發(fā)展史上，提高的確實比較快，早期的鋰電池壽命就是300次、500次，三元為500-1000次，鐵鋰最早為1500次，現(xiàn)在最高可以達到萬次以上，這離不開材料廠的努力，離不開電解液廠的努力，離不開設備精度和自動化的提升。特別指出的是，我們往往忽略電池結(jié)構(gòu)設計的影響，電芯做好了，但一致性沒有做好，PACK結(jié)構(gòu)沒有做好，都會影響對電池的壽命。從我們整個對儲能電池的開發(fā)來看，影響的無非就是幾個：材料、結(jié)構(gòu)、一致性，這是大頭。根據(jù)方形、圓柱、軟包的不同，調(diào)整方向還不同，每種電池的側(cè)重點會有一些相對的區(qū)別。
談一下我們公司現(xiàn)在正在做的一些有利于提升儲能電池的措施，包括細到充放電的方式，很多頭部企業(yè)可能也在用。也就是說，充電的時候，如果在初始階段能夠用大電流，在快充滿的時候用小流量去補充，這樣會相對提高電池的壽命，這就要求電池的系統(tǒng)設計里對充電方式做一些微調(diào)。實際上它的基本原理很簡單，當時充電的時候，快充的話，濃差極化是基本上沒有，快充滿的時候，從電化學的角度來講，濃差極化就成了一個主要的控制方式，把電流減小，就有利于減少電池的損耗。
再和大家分享一下儲能電池容量做大的一些優(yōu)勢和要避免的風險。這兩年電池廠包括頭部企業(yè)的電池是越做越大，都是基于一個思想，就是為了降成本，無論是單位面積的殼體的成本，還是PACK的成本，減少接插件，大家都希望把電池做大。但是做大了也有風險，電池做厚，散熱不好解決，厚度從30mm做到70，80mm，中間極片的散熱肯定要比邊上的差，而且很難通過散熱來彌補，風道設計也難以消除過大的溫差，所以我們要充分認識到這個問題。增加殼體厚度，一是散熱困難，降低了電解液量，也有循環(huán)不夠的風險，把隔膜減薄，有短路的風險，所以做儲能電池，不管是設計來講，還是從工藝來講，要操很多心。我這里列出的只是風險的一部分，供大家參考。
今天有很多的報告都在強調(diào)電芯大尺寸的發(fā)展方向，這是業(yè)界的共識。大尺寸碰到的各種問題，我們也得坦然面對，怎么樣去解決？我認為可能要做類刀片雙頭極柱的電池，大家都是朝這個方向努力，純粹的加厚或者一味在某個設計點如堆電極密度，這些都是不太可行的。儲能電池設計的優(yōu)化方向就是散熱、成本以及壽命得到兼顧，所以我們認為未來的方向肯定是這樣。
我再和大家分享一下將來儲能電池制造的工藝趨勢。首先，制造趨勢基本上是往自動化方向走的，數(shù)字化和高精度是自動化的基礎。我們做電芯做了這么久，40%的異常發(fā)生在前端，從配料到制片，這幾個工藝做好了，后面的工藝基本沒有嚴重的異常或者說異常比較少。
對電池前段工藝里的攪拌，我認為將來的趨勢一定是連續(xù)制漿，它的好處就是可靠性、效率都得到很大的提升。因為現(xiàn)在傳統(tǒng)的方式是一種概率性的攪拌，每次攪拌的概率和效率是比較低的。
這是連續(xù)制漿的原理和設備。
涂布，從鋰電發(fā)展的情況來看，從最早的單面涂布到現(xiàn)在普遍普及的雙層涂布，將來也會發(fā)展到雙面涂布。其實我們現(xiàn)在主要的設備廠都提供了雙面涂布，但目前普及的還不是很高。好處是顯而易見的，速度快、效率高。
激光模切也是一種趨勢。
下面提到電池最頭痛的就是雜質(zhì)和毛刺控制。
我再講一下設計里的疊片和卷繞，對儲能電池來講，尤其是方形，70%以上都是選擇卷繞。卷繞有它的問題，大家可以看這張圖，不管你怎么做或者采取怎樣的壓芯工藝，總會有變形，那種變形在小電芯或者薄的時候不明顯，但是做大做厚了以后就會有這樣的問題。大家看到右下角，它這種形變會帶來電芯充放電過程中，鋰的遷移的邊緣化效應，會帶來循環(huán)過程中的膨脹力的差異。如果你是做疊片，你會發(fā)現(xiàn)電池在循環(huán)中的膨脹力要比卷繞的小很多，這是力的影響。所以為什么現(xiàn)在有的鋰電企業(yè)在儲能電池做大了以后，它要選疊片，就是綜合考慮，除了制造效率的問題，還有性能以及后期膨脹力的問題，膨脹力如果控制不好，就會把整個成品結(jié)構(gòu)性的破壞。
儲能電池以后的工藝發(fā)展趨勢，我認為最重要的是一體化制造，其實現(xiàn)在大家基本上都實現(xiàn)了，就是把幾個關(guān)鍵工序通過一體化設備串在一起做整合，來提高效率，減少物流。同時，未來還可能會在某些工序上做減法，除了設計上做減法，還要制造的工步做減法，可能以后就沒有攪拌了，就用干粉電極，直接通過噴濺的方式或者壓制的方式，把電極全部壓在箔材上。甚至有可能一致性做好了，電池就不分容了，因為分容沒有太多的經(jīng)濟價值，如果容量的一致性的非常好，CPK達到2.0以上，取消分容是有可能的。
另外，將來電芯的制造或者說成品的制造，都會逐漸普及視覺監(jiān)控或者視覺糾偏，會大大提高制造的效率。將來鋰電的制造可能在將來有新的優(yōu)化方式可選擇，例如三維模擬生產(chǎn)等等，包括能耗，能耗在十年間已經(jīng)降了30%，而且應該還會繼續(xù)往下降。
接下來我簡單介紹一下我們公司-深圳市拓邦鋰電池有限公司。拓邦鋰電現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)了連續(xù)制漿，一體化制造，環(huán)保工廠和節(jié)能工廠。在材料體系上，公司主要為磷酸鐵鋰，將來會把鈉離子和磷酸錳鐵鋰做下一代的評估。
在電芯的應用領域，小容量的儲能產(chǎn)品適配大圓柱電芯，公司目前生產(chǎn)的33140-15Ah，40140-20Ah的大圓柱電芯，可以完美匹配0.5kwh-3kwh的便攜儲能產(chǎn)品，整機壽命在2年以上，Pack體積比較小，性價比高。
拓邦鋰電用于儲能的大容量的方形電芯，設計壽命都在10000次以上，溫升低，0.5C放電小于1度，1C放電小于5度，散熱性能較好。100Ah方形電芯可應用在家庭儲能產(chǎn)品上，單個模塊設計為5.12kwh，根據(jù)不同用電需求串并成不同的容量，滿足家庭用電需求150Ah方形電芯可應用在工商儲能產(chǎn)品上，公司目前開發(fā)的100kWh，200kWh的標準工商儲機柜產(chǎn)品，均采用的150Ah電芯。
拓邦鋰電致力于成為國際一流值得信賴的鋰電產(chǎn)品提供商，希望與業(yè)界同仁就電池技術(shù)做更多深入的交流和技術(shù)的分享，感謝大家！
