中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)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(fēng)能、太陽(yáng)能為主）的轉(zhuǎn)變。隨著這些可再生能源在電網(wǎng)中的比重增加，由于風(fēng)、陽(yáng)光受氣候的影響，使其具有間歇性和波動(dòng)性等因素，所以會(huì)在一定程度上導(dǎo)致電網(wǎng)供需的不平衡，電網(wǎng)頻率因此造成偏移，從而帶來(lái)了很大的調(diào)頻壓力。相對(duì)于傳統(tǒng)調(diào)頻技術(shù)，鋰電池儲(chǔ)能在響應(yīng)速度上具有壓倒性?xún)?yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能，尤其是電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用的主流。目前，大規(guī)模電網(wǎng)級(jí)鋰電池儲(chǔ)能面臨的兩大主要挑戰(zhàn)在于安全和回收?；诖耍绹?guó)麻省理工學(xué)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(nèi)容表述】
文章首先闡述了在能源轉(zhuǎn)型的過(guò)程中，我們需要集中發(fā)展那些較為成熟、可以較快實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)(“Type-A”技術(shù))，并提出了風(fēng)能/太陽(yáng)能+鋰電池儲(chǔ)能的組合將會(huì)是近二三十年內(nèi)最佳取代化石能源的方法。為了解決風(fēng)能、太陽(yáng)能供應(yīng)的間歇性問(wèn)題，我們大約需要8小時(shí)的電力儲(chǔ)備。8小時(shí)電力儲(chǔ)備約等于 25 TWh的鋰電池儲(chǔ)能總量（僅美國(guó)），而這大約是目前鋰電池儲(chǔ)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L(fēng)FP電池(80千瓦時(shí)的電存儲(chǔ))，其中大約有6.5公斤的鋰原子(需要乘以5.32得到對(duì)應(yīng)的碳酸鋰當(dāng)量，LCE)和29公斤的磷原子。從這個(gè)角度來(lái)看，地球上真的有足夠的鋰和其他礦物來(lái)支持它嗎? 美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(U.S. Geological Survey)已經(jīng)確定，全球鋰原子“總量約為8000萬(wàn)噸”，在這個(gè)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(gè)人使用?！?小時(shí)的能量”是一個(gè)口語(yǔ)化術(shù)語(yǔ)，用來(lái)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(shí)或2.5天的電能儲(chǔ)存。對(duì)于如此巨大規(guī)模的鋰電池儲(chǔ)能，鋰電池/儲(chǔ)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(guān)的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用(OPEX)又如何呢? 結(jié)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(guān)系。因此，更好的軟件和電池管理系統(tǒng)對(duì)于安全運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)價(jià)值最大化非常重要。Hsu等人和Lu等人使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)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(wǎng)規(guī)模的電池組選擇新制造或使用過(guò)的電池和動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡的關(guān)鍵。
文章接著詳細(xì)探討了鋰電儲(chǔ)能安全的相關(guān)問(wèn)題。安全性對(duì)于大規(guī)模鋰電池儲(chǔ)能非常重要，因?yàn)橐坏┯幸惶庪姵匕l(fā)生故障或處理不當(dāng)，將會(huì)引發(fā)一系列的連鎖反應(yīng)，比如火勢(shì)的蔓延，從而導(dǎo)致非常嚴(yán)重、不可控的后果。文中例舉了許多全球范圍內(nèi)鋰電儲(chǔ)能電站發(fā)生火災(zāi)而導(dǎo)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(shè)施發(fā)生火災(zāi)和爆炸，造成8名消防員受傷。2021年4月16日，中國(guó)北京一個(gè)25 MWh LFP ESS電站發(fā)生爆炸，造成2名消防員死亡。僅在韓國(guó)，2017年至2019年期間就發(fā)生了28起火災(zāi)事故，導(dǎo)致522臺(tái)ESS機(jī)組在監(jiān)管審查后關(guān)閉，占所有ESS安裝的約35%。而在正常使用下，單個(gè)電池單元在其生命周期內(nèi)發(fā)生故障的概率約為10?7，由于火災(zāi)事故的串聯(lián)性質(zhì)，ESS設(shè)施引發(fā)數(shù)百萬(wàn)個(gè)電池同時(shí)發(fā)生火災(zāi)，導(dǎo)致嚴(yán)重事故的概率顯然不低。這些事故導(dǎo)致電力供應(yīng)中斷、嚴(yán)重污染和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。這些負(fù)債需要添加到運(yùn)營(yíng)成本中，而且經(jīng)常被低估。
到目前為止，大多數(shù)關(guān)于火災(zāi)安全的研究都集中在電池層改進(jìn)電池材料。這些包括但不限于：通過(guò)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(guò)輕度氧化、涂覆、和形貌修飾方法改進(jìn)石墨負(fù)極，以獲得穩(wěn)定的SEI層，并尋找替代負(fù)極(如硅納米線，F(xiàn)e3O4和Li4Ti5O12)，通過(guò)替換鹽和溶劑等策略降低電解質(zhì)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(zhì)、和無(wú)機(jī)固體電解質(zhì))。雖然電池層材料的開(kāi)發(fā)已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，但電池內(nèi)部的熱失控風(fēng)險(xiǎn)不能完全消除。除了技術(shù)的進(jìn)步，火災(zāi)危險(xiǎn)的控制也取決于法規(guī)和管理的發(fā)展。LIBs必須經(jīng)過(guò)一系列安全測(cè)試才能用于電動(dòng)汽車(chē)和固定式儲(chǔ)能等應(yīng)用。盡管?chē)?guó)際和國(guó)內(nèi)已經(jīng)發(fā)布了若干標(biāo)準(zhǔn)和條例，但在安全測(cè)試的測(cè)試條件、測(cè)試參數(shù)和合格/不合格標(biāo)準(zhǔn)方面仍然缺乏一致性。例如，用于穿透測(cè)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(cè)試條件都有很大的可變性。安全測(cè)試的不一致導(dǎo)致整個(gè)行業(yè)LIB質(zhì)量存在巨大波動(dòng)，這可能給故障排除和安全政策的制定帶來(lái)困難。另一個(gè)問(wèn)題是，大多數(shù)測(cè)試都是在單個(gè)電池水平上進(jìn)行的，這可能并不代表電池組/系統(tǒng)水平的安全性能。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)級(jí)安全評(píng)估方面，業(yè)界仍缺乏共識(shí)。所以，我們必須重視大規(guī)模鋰電池儲(chǔ)能的安全問(wèn)題，除了在安全技術(shù)上的研究與突破，還需要在消防、電池安全測(cè)試、電網(wǎng)儲(chǔ)能規(guī)范等各個(gè)方面有進(jìn)一步的完善。
文章最后探討了鋰電池的回收利用問(wèn)題。未來(lái)幾十年間不斷擴(kuò)大的鋰電池儲(chǔ)能規(guī)模將會(huì)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(chǎn)制造等）的問(wèn)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(shí)現(xiàn)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(jià)值的金屬，如Co和Ni。此外，傳統(tǒng)的火法/濕法冶金效率低、對(duì)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(duì)于大規(guī)模的鋰電池電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能（一般不含鈷/鎳等稀缺金屬），效率高、價(jià)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(huì)是更好的選擇，也是我們應(yīng)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(chǎn)生約25%的二氧化碳排放，成本約降低50%。這對(duì)于ESS應(yīng)用來(lái)說(shuō)尤其重要，這些應(yīng)用嚴(yán)重依賴(lài)于含有較少價(jià)值元素的化學(xué)物質(zhì)，如LiFePO4或LiMn2O4 (圖3)。常見(jiàn)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(jìn)行熱處理，目的是補(bǔ)充損失的鋰或修復(fù)受損的晶體結(jié)構(gòu)。修復(fù)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(shù)進(jìn)步的同時(shí)，廢物管理和政策制定也應(yīng)得到發(fā)展，以確保真正的循環(huán)經(jīng)濟(jì)。由于改變游戲規(guī)則的回收技術(shù)不能在短時(shí)間內(nèi)成熟，很可能在不久的將來(lái)，大多數(shù)LIB仍然沒(méi)有被回收，最終被儲(chǔ)存、填埋或焚燒。如果管理和處置不當(dāng)，廢鋰中的有毒有機(jī)溶劑、塑料和重金屬會(huì)滲入土壤，污染海洋。聯(lián)邦和州兩級(jí)的LIB處置已有多個(gè)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，如美國(guó)的《資源保護(hù)和回收法》和中國(guó)的《危險(xiǎn)廢物處理?xiàng)l例》，但仍存在一些問(wèn)題，如LIB分類(lèi)不明確，未能跟上技術(shù)進(jìn)步，缺乏數(shù)據(jù)收集標(biāo)準(zhǔn)，報(bào)告和跟蹤，這些都應(yīng)及時(shí)解決。
【展望】
隨著能源需求的增長(zhǎng)、資源的枯竭和氣候以指數(shù)速度惡化，能源生產(chǎn)的脫碳是不可避免的。在當(dāng)前技術(shù)階段，考慮到經(jīng)濟(jì)和環(huán)境因素，8小時(shí)的鋰電池儲(chǔ)能與風(fēng)能/太陽(yáng)能(A型技術(shù))相結(jié)合，產(chǎn)生的能源可以滿足95%的需求，并使用傳統(tǒng)化石燃料作為備用電源，應(yīng)該是未來(lái)能源脫碳的現(xiàn)實(shí)策略，直到B型技術(shù)(如核聚變動(dòng)力工程和超導(dǎo)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(jìn)步，這些數(shù)字(8小時(shí)，95%等)將會(huì)有所改善，但未來(lái)面臨的兩個(gè)真正的挑戰(zhàn)是鋰電池/儲(chǔ)能電站的安全性和資源的回收利用。
最近，鋰電池/儲(chǔ)能電站的安全性和回收利用引起了越來(lái)越多的關(guān)注，并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在技術(shù)上，人們對(duì)火災(zāi)安全產(chǎn)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(jìn)一步提升回收的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，形成可再生能源產(chǎn)業(yè)內(nèi)Co、Ni、Li等有價(jià)值元素的閉環(huán)，極大地減輕資源和開(kāi)采負(fù)擔(dān)。此外，法規(guī)和管理必須與技術(shù)進(jìn)步同步改進(jìn)，以進(jìn)一步提高安全性和可持續(xù)性。需要制定最新的特定場(chǎng)地安裝/安全指南和應(yīng)急措施，需要認(rèn)真對(duì)待報(bào)廢LIB的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，需要制定和執(zhí)行廢物管理政策。實(shí)現(xiàn)可再生能源與LIB存儲(chǔ)相結(jié)合的循環(huán)經(jīng)濟(jì)需要學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府之間的廣泛合作。隨著技術(shù)和管理的改進(jìn)，我們將有望實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)安全和可持續(xù)的電網(wǎng)存儲(chǔ)。
【文獻(xiàn)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(jiǎn)介】
李巨 教授
李巨是材料學(xué)專(zhuān)家、美國(guó)麻省理工學(xué)院終身教授。曾獲2005年美國(guó) “青年科學(xué)家工程師總統(tǒng)獎(jiǎng)”，2006年材料學(xué)會(huì)杰出青年科學(xué)家大獎(jiǎng)，2007年度《技術(shù)評(píng)論》雜志“世界青年創(chuàng)新（TR35）獎(jiǎng)”，2009年美國(guó)金屬、礦物、材料科學(xué)學(xué)會(huì)(TMS) “Robert Lansing Hardy”獎(jiǎng)。2014/18-19年入選湯森路透/科睿唯安全球高被引科學(xué)家名單。2014年被選為美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)士，2017年入選材料研究學(xué)會(huì)會(huì)士。
