中國儲能網訊：
【研究背景】
全球氣候正在加速發(fā)生著不可逆的變化，我們亟需完成從化石能源到可再生能源（以風能、太陽能為主）的轉變。隨著這些可再生能源在電網中的比重增加，由于風、陽光受氣候的影響，使其具有間歇性和波動性等因素，所以會在一定程度上導致電網供需的不平衡，電網頻率因此造成偏移，從而帶來了很大的調頻壓力。相對于傳統調頻技術，鋰電池儲能在響應速度上具有壓倒性優(yōu)勢，已經成為國內儲能，尤其是電網儲能應用的主流。目前，大規(guī)模電網級鋰電池儲能面臨的兩大主要挑戰(zhàn)在于安全和回收?；诖?，美國麻省理工學院李巨課題組等人在Advanced Energy Materials上發(fā)表了題為“Key Challenges for Grid-Scale Lithium-Ion Battery Energy Storage”的前瞻性文章(Perspective)，黃祎萌為本文第一作者。
【內容表述】
文章首先闡述了在能源轉型的過程中，我們需要集中發(fā)展那些較為成熟、可以較快實現大規(guī)模應用的技術(“Type-A”技術)，并提出了風能/太陽能+鋰電池儲能的組合將會是近二三十年內最佳取代化石能源的方法。為了解決風能、太陽能供應的間歇性問題，我們大約需要8小時的電力儲備。8小時電力儲備約等于 25 TWh的鋰電池儲能總量（僅美國），而這大約是目前鋰電池儲能規(guī)模的100倍。LiFePO4//石墨(LFP)電池的能量密度為160 Wh/kg，將需要156250000噸LFP電池。這大約是每人500公斤LFP電池(80千瓦時的電存儲)，其中大約有6.5公斤的鋰原子(需要乘以5.32得到對應的碳酸鋰當量，LCE)和29公斤的磷原子。從這個角度來看，地球上真的有足夠的鋰和其他礦物來支持它嗎? 美國地質調查局(U.S. Geological Survey)已經確定，全球鋰原子“總量約為8000萬噸”，在這個星球上，人均鋰原子量為10.3公斤，因此鋰足夠供地球上每個人使用?！?小時的能量”是一個口語化術語，用來表示與一次能源使用相比的規(guī)模，但如果只按電能使用歸一化，它更像是60小時或2.5天的電能儲存。對于如此巨大規(guī)模的鋰電池儲能，鋰電池/儲能電站的安全性和資源的回收利用是目前存在的兩大主要挑戰(zhàn)。
除了資本支出，與LIB循環(huán)壽命密切相關的運營費用(OPEX)又如何呢? 結果表明，鋰離子電池的循環(huán)壽命與充放電深度、溫度和充電速率有非常非線性的關系。因此，更好的軟件和電池管理系統對于安全運行和實現長期經濟價值最大化非常重要。Hsu等人和Lu等人使用深度神經網絡預測電池健康狀態(tài)(SOH)、剩余使用壽命(RUL)和容量-電壓曲線，這些是為家庭或電網規(guī)模的電池組選擇新制造或使用過的電池和動態(tài)負載平衡的關鍵。
文章接著詳細探討了鋰電儲能安全的相關問題。安全性對于大規(guī)模鋰電池儲能非常重要，因為一旦有一處電池發(fā)生故障或處理不當，將會引發(fā)一系列的連鎖反應，比如火勢的蔓延，從而導致非常嚴重、不可控的后果。文中例舉了許多全球范圍內鋰電儲能電站發(fā)生火災而導致極大損失的案例。2019年4月19日，亞利桑那州2 MWh LiNixCoyMn1-x-yO2(NCM)//石墨ESS設施發(fā)生火災和爆炸，造成8名消防員受傷。2021年4月16日，中國北京一個25 MWh LFP ESS電站發(fā)生爆炸，造成2名消防員死亡。僅在韓國，2017年至2019年期間就發(fā)生了28起火災事故，導致522臺ESS機組在監(jiān)管審查后關閉，占所有ESS安裝的約35%。而在正常使用下，單個電池單元在其生命周期內發(fā)生故障的概率約為10?7，由于火災事故的串聯性質，ESS設施引發(fā)數百萬個電池同時發(fā)生火災，導致嚴重事故的概率顯然不低。這些事故導致電力供應中斷、嚴重污染和巨大的經濟損失。這些負債需要添加到運營成本中，而且經常被低估。
到目前為止，大多數關于火災安全的研究都集中在電池層改進電池材料。這些包括但不限于：通過摻雜或涂覆方法優(yōu)化LiFePO4和穩(wěn)定高壓LiCoO2/NCM正極熱穩(wěn)定性，通過輕度氧化、涂覆、和形貌修飾方法改進石墨負極，以獲得穩(wěn)定的SEI層，并尋找替代負極(如硅納米線，Fe3O4和Li4Ti5O12)，通過替換鹽和溶劑等策略降低電解質的可燃性，使用功能性添加劑，并尋找不易燃的替代品(如離子液體、膠凝聚合物基電解質、和無機固體電解質)。雖然電池層材料的開發(fā)已經取得了顯著的進展，但電池內部的熱失控風險不能完全消除。除了技術的進步，火災危險的控制也取決于法規(guī)和管理的發(fā)展。LIBs必須經過一系列安全測試才能用于電動汽車和固定式儲能等應用。盡管國際和國內已經發(fā)布了若干標準和條例，但在安全測試的測試條件、測試參數和合格/不合格標準方面仍然缺乏一致性。例如，用于穿透測試的釘子材料、尺寸和穿刺深度，以及SOC、溫度和充電速率等測試條件都有很大的可變性。安全測試的不一致導致整個行業(yè)LIB質量存在巨大波動，這可能給故障排除和安全政策的制定帶來困難。另一個問題是，大多數測試都是在單個電池水平上進行的，這可能并不代表電池組/系統水平的安全性能。在系統設計和系統級安全評估方面，業(yè)界仍缺乏共識。所以，我們必須重視大規(guī)模鋰電池儲能的安全問題，除了在安全技術上的研究與突破，還需要在消防、電池安全測試、電網儲能規(guī)范等各個方面有進一步的完善。
文章最后探討了鋰電池的回收利用問題。未來幾十年間不斷擴大的鋰電池儲能規(guī)模將會加劇及凸顯資源短缺（例如鋰、鈷、鎳等資源）和環(huán)境污染（電子垃圾、生產制造等）的問題。我們急需提升鋰電池回收的比例（目前回收率仍<10%）以及在回收方法上實現突破。截至2019年，全球只有5%的鋰離子電池得到回收，它們都旨在以金屬形式提取有價值的金屬，如Co和Ni。此外，傳統的火法/濕法冶金效率低、對環(huán)境不友好、以及不適用于回收磷酸鐵鋰等不含有稀缺金屬的材料。
對于大規(guī)模的鋰電池電網級儲能（一般不含鈷/鎳等稀缺金屬），效率高、價格低的直接回收/輕回收(direct recycling)的方法或者使用直接回收+冶金法的組合將會是更好的選擇，也是我們應該著重研究和大力發(fā)展的方向。與高溫/濕法冶金相比，直接回收法只消耗約15%的能源，產生約25%的二氧化碳排放，成本約降低50%。這對于ESS應用來說尤其重要，這些應用嚴重依賴于含有較少價值元素的化學物質，如LiFePO4或LiMn2O4 (圖3)。常見的直接回收策略是將廢棄的活性材料與新的活性材料或額外的鋰源混合，然后進行熱處理，目的是補充損失的鋰或修復受損的晶體結構。修復后的活性材料可以直接制成電池再制造的新電極，大大降低了金屬成分提取和活性材料再合成的成本和排放。
在回收技術進步的同時，廢物管理和政策制定也應得到發(fā)展，以確保真正的循環(huán)經濟。由于改變游戲規(guī)則的回收技術不能在短時間內成熟，很可能在不久的將來，大多數LIB仍然沒有被回收，最終被儲存、填埋或焚燒。如果管理和處置不當，廢鋰中的有毒有機溶劑、塑料和重金屬會滲入土壤，污染海洋。聯邦和州兩級的LIB處置已有多個現有標準和法規(guī)，如美國的《資源保護和回收法》和中國的《危險廢物處理條例》，但仍存在一些問題，如LIB分類不明確，未能跟上技術進步，缺乏數據收集標準，報告和跟蹤，這些都應及時解決。
【展望】
隨著能源需求的增長、資源的枯竭和氣候以指數速度惡化，能源生產的脫碳是不可避免的。在當前技術階段，考慮到經濟和環(huán)境因素，8小時的鋰電池儲能與風能/太陽能(A型技術)相結合，產生的能源可以滿足95%的需求，并使用傳統化石燃料作為備用電源，應該是未來能源脫碳的現實策略，直到B型技術(如核聚變動力工程和超導傳輸)成熟為止。隨著LIB能量密度、成本效率和循環(huán)壽命的不斷進步，這些數字(8小時，95%等)將會有所改善，但未來面臨的兩個真正的挑戰(zhàn)是鋰電池/儲能電站的安全性和資源的回收利用。
最近，鋰電池/儲能電站的安全性和回收利用引起了越來越多的關注，并取得了長足的進步。在技術上，人們對火災安全產生熱和熱失控的起源有了更深入的了解。在回收方面，淺回收和深度回收的優(yōu)化組合，可以進一步提升回收的經濟和環(huán)境效益，形成可再生能源產業(yè)內Co、Ni、Li等有價值元素的閉環(huán)，極大地減輕資源和開采負擔。此外，法規(guī)和管理必須與技術進步同步改進，以進一步提高安全性和可持續(xù)性。需要制定最新的特定場地安裝/安全指南和應急措施，需要認真對待報廢LIB的火災風險，需要制定和執(zhí)行廢物管理政策。實現可再生能源與LIB存儲相結合的循環(huán)經濟需要學術界、工業(yè)界和政府之間的廣泛合作。隨著技術和管理的改進，我們將有望實現成本<90美元/kWh的電池組，該電池組可穩(wěn)定循環(huán)20000次及以上，實現安全和可持續(xù)的電網存儲。
【文獻詳情】
Yimeng Huang, Ju Li, Key Challenges for Grid-Scale Lithium-Ion Battery Energy Storage, Advanced Energy Materials 2022, 2202197.
https://doi.org/10.1002/aenm.202202197
【作者簡介】
李巨 教授
李巨是材料學專家、美國麻省理工學院終身教授。曾獲2005年美國 “青年科學家工程師總統獎”，2006年材料學會杰出青年科學家大獎，2007年度《技術評論》雜志“世界青年創(chuàng)新（TR35）獎”，2009年美國金屬、礦物、材料科學學會(TMS) “Robert Lansing Hardy”獎。2014/18-19年入選湯森路透/科睿唯安全球高被引科學家名單。2014年被選為美國物理學會會士，2017年入選材料研究學會會士。
