中國儲能網(wǎng)訊：2019年3月16日，中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應用分會與全國微電網(wǎng)與分布式電源并網(wǎng)標準化技術委員會、中國科學院電工研究所儲能技術組、科華恒盛股份有限公司四家單位聯(lián)合主辦的“首屆全國儲能技術與綜合能源服務高層研討會”在福建廈門宸洲洲際酒店召開，來自電力公司、電科院、設計院、系統(tǒng)集成商、地方經(jīng)信委、投資機構等230余人參加了本次會議。
本次研討會旨在推動儲能與綜合能源系統(tǒng)多環(huán)節(jié)技術與商業(yè)模式創(chuàng)新，持續(xù)提升客戶需求響應能力與業(yè)務整體盈利能力。
中國科學院電工研究所儲能技術研究組組長、研究員陳永翀在會議期間分享了主旨報告《電池儲能技術問題與發(fā)展建議》，以下是他的發(fā)言原文：
我很高興有這樣的機會和大家探討四個方面的問題。一，儲能電池技術應用場景的多元化；二，電池類型多元化；三，技術內(nèi)涵多元化；四，發(fā)展目標的多元化。
我們先看大致的產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景。首先，2017年是中國發(fā)展儲能的共識之年，在這之前關于要不要發(fā)展儲能存在很多爭議。2017年《關于促進儲能技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》出臺是一個標志，標志著中國儲能春天的來臨，2018年全球以及中國的儲能項目迅速發(fā)展。其次，發(fā)展儲能的核心是促進可再生能源消納，在最近5年光伏風電發(fā)電成本快速下降，以及由于新能源汽車帶動動力電池的成本下降，使得儲能在原來一些缺乏競爭力的領域開始具備競爭力，儲能的多重價值逐漸被體現(xiàn)。第三，儲能春天已經(jīng)來臨，春天是萌芽、開花的季節(jié)，但是儲能蓬勃發(fā)展的夏季還沒有到來?，F(xiàn)在各類儲能技術，包括物理儲能、電化學儲能、化學儲能和儲熱蓄冷已經(jīng)紛紛開展示范和商業(yè)應用，在應用中展現(xiàn)了儲能的優(yōu)勢，同時也發(fā)現(xiàn)了不少問題。尤其是電化學儲能技術，應該說距離“低成本、長壽命、高安全、易回收”的總體目標還有相當?shù)牟罹?，有待技術創(chuàng)新和突破。
儲能有六大應用場景，可再生能源并網(wǎng)，電網(wǎng)輔助服務，電網(wǎng)輸配，分布式及微網(wǎng)，用戶側，以及一個非常特殊的用戶側：電動汽車VEG模式的供能系統(tǒng)。儲能應用場景很多，大致可以分類儲能的三大作用：第一，平滑間歇性電源功率波動，這樣的場景需要功率型儲能技術；第二，減小峰谷差，提高電力系統(tǒng)效率和設備利用率，這種場景下大部分需要容量型儲能技術；第三，增加備用容量，提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定性和供電質(zhì)量，這個需要的是UPS備用型的儲能技術。當然還有第四類復合型的應用，尤其是電網(wǎng)側應用，參與調(diào)峰調(diào)頻和緊急備用，我們稱它為復合型或者是能量型的儲能技術。所以說，儲能的應用場景是多元的。
因此，我們可以從應用要求反推儲能電池的類型也可以分為四大類：容量型儲能電池，功率型儲能電池，能量型儲能電池，以及備用型儲能電池。根據(jù)電池使用的功率容量比值做一個區(qū)別，有利于我們發(fā)展不同類型的儲能電池技術。尤其是備用型儲能電池。目前來看動力電池的梯級利用從大到小是完全可能的，但是從小到大還是面臨非常大的難度，它的一致性、安全性問題，以及成本面臨非常大的挑戰(zhàn)。但是，將動力電池梯級利用在一些備用型的儲能場景還是有可能的。所謂備用型儲能，可能一年的充放電次數(shù)也就那么幾次，而不是每天都要進行充放電。
我們經(jīng)常會談到儲能技術，尤其是儲能電池技術。那么，到底什么是儲能電池技術，它的技術內(nèi)涵是什么？我總結了一下，儲能電池技術應該包括六大內(nèi)涵。
第一是材料技術，這是基礎。但是對于儲能電池來說，我特別想強調(diào)材料性能，尤其實驗室研究的材料性能，跟實際的到未來做成大電池、進行儲能應用的電池性能相差還是非常大的，所以千萬不能把實驗室材料性能等同于儲能電池的性能，更不能等同于儲能電池系統(tǒng)的性能。
第二是結構技術。相對消費類小電池來說，儲能場景要求大功率、大容量。因此，未來儲能電池的研發(fā)要充分考慮電池的內(nèi)部結構和外部結構的融合設計，通過一些內(nèi)部結構的創(chuàng)新發(fā)展減輕外部系統(tǒng)面臨的成本和安全性的壓力，這是未來儲能電池結構技術研究的重要方向。希望我們的儲能電池能夠由“嬌小富貴”變成結實耐用的“傻大笨粗”，以滿足電力系統(tǒng)的實際場景需求。
第三，制造技術。尤其是鋰離子電池，它的制造技術來源于以前的磁帶技術，采用粘接薄膜電解結構，需要高精度的、非常復雜的、幾百道的制造工序。未來如果想降低制造成本，還需要結合電池的結構技術創(chuàng)新，讓整個制造環(huán)節(jié)變得簡單，不要往復雜化方向發(fā)展。
第四應用技術。儲能電池應用技術就是電力系統(tǒng)經(jīng)常提到的、狹義上的電池儲能技術，包括系統(tǒng)集成技術，BMS，PCS與EMS。應用技術非常重要，需要針對不同的應用場景開發(fā)相應的應用技術，積累應用數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)應用問題，評估應用經(jīng)濟。未來應該會出現(xiàn)以應用技術開發(fā)為核心的獨立的儲能電池系統(tǒng)應用服務商，負責儲能系統(tǒng)的設計規(guī)劃、租賃運維和報廢回收，并與保險公司合作，承諾負責系統(tǒng)的使用壽命和運行安全。
第五再生技術。我們的消費類電池，壽命有三到五年就可以了，因為三到五年我們手機也要更換，電池壽命再長也沒有多大意義。但是，電力系統(tǒng)對于電池儲能系統(tǒng)要求十年甚至二十年以上的壽命要求，而十年對于我們電池來說幾乎是現(xiàn)有技術的一個天花板。因此未來儲能系統(tǒng)運行過程中，可能還需要開發(fā)新型的電池再生技術，延長儲能電池的應用使用壽命。當電池使用一段時間后，可以通過正負極材料表面SEI膜原位修復、電解液的補充和更換等方式對電池性能進行再“激活”，延長儲能鋰電池的實際日歷使用壽命。例如，鋰漿料電池的漿料厚電極形態(tài)賦予了其在使用期進行在線再生的可能性。
最后一個，回收技術，這點非常重要。包括廢舊電池的更換處理技術、安全運輸技術、回收處理技術和資源再利用技術。鋰電池的回收流程和技術還不成熟，需要與材料技術和結構技術相結合，發(fā)展方便回收再生的新型儲能電池技術，在產(chǎn)品設計方面加以創(chuàng)新改進，從生產(chǎn)端提前考慮電池回收處理的環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)儲能鋰電池產(chǎn)業(yè)的資源可持續(xù)發(fā)展，這一點具有重要的戰(zhàn)略意義。這兩天協(xié)會正在帶著世行專家去考察現(xiàn)有的電池回收情況。包括更換處理、安全運輸、報廢回收以及資源再利用。我們知道報廢電池的危險性比新電池的危險性高，電池報廢以后怎么運回基地，有沒有可能開發(fā)創(chuàng)新的技術?在電池報廢前進行安全處理，使它絕對不可能燃燒爆炸，這是儲能電池面臨的新課題。
所以說儲能電池的技術內(nèi)涵非常豐富，這六大技術內(nèi)涵需要我們從各個方面進行突破，而不僅僅是材料技術的突破。
行業(yè)痛點問題。儲能電池的四大綜合問題：成本高、壽命短、安全差、回收難。對于鋰離子電池來說，它是一個粘接涂布薄膜電極結構以及內(nèi)部極片并聯(lián)后極耳引出的核心設計思路，所以給電池單體以及電池系統(tǒng)的一致性設計帶來根本性的難題。昨天我們到科華，科華的陳總說納米顆粒材料在電池中的應用需要納米級的機械控制和電力控制，這個很有道理。這就要求現(xiàn)有的電池制造控制精度非常高。為什么？因為它的電極層厚度只有很薄的100多微米，里面包含納米微米級的顆粒，所以要求高精度的控制，這樣使得電池制造成本的降低有相當大的難度。因此需要創(chuàng)新技術，例如，開發(fā)容量型超厚電極技術，以降低對制造精密度的絕對要求，降低儲能電池的制造成本。
因此我們說儲能電池的發(fā)展，已經(jīng)從當初對消費類電池的高能量密度的首要要求，逐步轉變?yōu)閷Φ统杀镜暮诵囊?。電池在手機中的使用是剛需，手機離不開電池，因此電池便宜也好，貴也好，必須要用電池。但是，儲能電池如果太貴的話電力系統(tǒng)可以不用，甚至可以用非儲能的手段解決一些儲能面臨的問題。所以“低成本”成為我們儲能電池發(fā)展的首要目標。
發(fā)展目標我大致解釋一下。狹義的儲能電池成本僅包括一次（采購）成本，廣義的儲能電池成本還包括二次（運維）成本和三次（回收）成本。其中，一次成本包括電池的材料成本和生產(chǎn)制造成本。在材料成本下降空間有限的情況下，通過電池結構技術的顛覆設計，簡化電池生產(chǎn)工藝，降低制造成本和人力成本，將會是新型儲能電池重要的降成本方向。二次成本與電池使用壽命息息相關。需要結合材料技術和結構技術，發(fā)展新型修復再生技術，提升電池使用壽命，降低容量型電池的度電成本和功率型電池的頻次成本。三次成本主要指電池的回收成本。目前儲能電池的回收再生環(huán)節(jié)若要做到完全符合環(huán)保標準的要求，成本還是非常高的，需要有創(chuàng)新的電池設計思路和回收再生思路，降低電池的三次成本。
現(xiàn)在儲能電池成本相對較高，因此可以首先應用在一些互補的場景，在未來，隨著成本的下降，再逐漸往競爭的場景應用。
第二個長壽命，電池循環(huán)次數(shù)壽命是日歷使用壽命的基礎，但并不等同于電池的實際日歷使用壽命。目前，還缺乏合適的加速老化實驗標準能夠對應電池實際的日歷衰減變化。未來除了需要建立相關測試標準以外，還需要開發(fā)創(chuàng)新的在線修復再生技術，提升儲能電池的日歷使用壽命，滿足實際儲能的工況要求。如果實驗室測試電池循環(huán)壽命是3650次，即使一天一充一放，一年365天共365次，十年剛好3650次，我們也不能說該電池就具備十年的日歷使用壽命。因為電池是一個高度非平衡的化學體系，既使是不充放電，放在某個地方，它的性能也是在衰減的，這點很重要。所以未來要開發(fā)再生技術，原因在這里。而且，應用發(fā)展方向會由現(xiàn)在的被動更換到以后的主動運維，我們需要主動運維。我們的抽水蓄能電站一年運維費差不多七千萬元到八千萬元，為什么電化學儲能系統(tǒng)就不需要運維？這是不可能的。
第三個是目標是高安全。儲能電池的安全性非常重要。相對而言，水系電池如液流電池、鉛酸電池等安全性較好，能夠滿足儲能電站的安全性要求，但也需要嚴格控制電池的充電截止電壓，以防止水溶液過壓電解后的析氫爆炸；有機系鋰離子電池的安全性問題較為突出，目前總體而言處于安全及格線60分上下的水平，有待技術突破；固態(tài)電池不含易燃的電解液，因此具有最高的安全性，在未來實現(xiàn)量產(chǎn)后有可能會首先應用到高安全要求的某些特殊場景。但是，固態(tài)電池要規(guī)模應用于電力儲能，在降本增壽和系統(tǒng)一致性方面還有相當?shù)睦щy需要克服。另外，固態(tài)電池的回收處理也是一大難題。
避免電池（內(nèi)部或外部）短路的安全預防技術以及在電池短路發(fā)生后的應急維護技術是儲能電池安全技術發(fā)展的重要方向。僅僅通過外部滅火裝置進行儲能鋰電池的安全保護，是遠遠不夠的，未來必須開發(fā)顛覆性的電池結構技術和安全維護技術，從電池內(nèi)部徹底解決電池的安全問題，確保儲能電池的安全運輸和儲能電站的安全運行。
第四個目標，易回收。資源的循環(huán)再生利用將是儲能電池未來規(guī)模應用面臨的最大挑戰(zhàn)。儲能電池要達到易回收的目標有三點基本要求：1、電池回收過程符合安全和環(huán)保標準；2、稀有貴金屬元素做到接近100%的再生利用；3、電池有一定回收殘值。
現(xiàn)在示范應用的儲能鋰電池系統(tǒng)基本上沒有考慮到未來電池報廢后的回收處理環(huán)節(jié)。更為嚴重的是，目前電池界廣泛存在一種錯誤的觀念，認為報廢鋰電池富含各類有價值的貴金屬，因此根本不用擔心回收處理的問題。
實際情況是，報廢電池的“價值”與“環(huán)?！敝g存在較為嚴重的沖突和矛盾，現(xiàn)有儲能鋰電池的材料體系選擇和電池結構設計，使得完全符合環(huán)保要求的有價值的回收處理工作非常困難。可再生能源的發(fā)展需要可再生儲能的支撐，如果儲能電池材料資源不能得到很好的循環(huán)利用，比如目前電池的鋰元素只有70%多得以回收利用。目前若要達到90%以上的回收率，技術上完全可以做到，但是成本上根本接受不了。現(xiàn)在只是把有利可圖的元素提煉出來，其它不好處理的再進行報廢填埋。未來若要爭取90%以上的材料回收，必須開發(fā)易回收的新型的儲能電池結構技術和回收技術。
我們現(xiàn)有的示范和商業(yè)應用產(chǎn)業(yè)當然是基于現(xiàn)有相對成熟的技術產(chǎn)品，比如磷酸鐵鋰電池，現(xiàn)在已逐步應用于電網(wǎng)側和用戶側的儲能電站建設。但基于上述發(fā)展目標的差距，未來我們還需要發(fā)展新的儲能電池技術，需要徹底脫離小型電池的結構設計思路，開發(fā)顛覆性的大型儲能電池技術，例如，適用于容量型儲能的漿料電池技術，適用于功率型儲能的高壓電池技術，以及其它技術方向。百花齊放，百家爭鳴。下面我簡單地介紹一下我們的工作。
鋰漿料電池，電池的全部或部分電極是由漿料態(tài)的儲鋰活性物質(zhì)、導電劑和電解液構成。鋰漿料電池（Lithium Slurry Battery）的技術名稱是由我們團隊在2015年發(fā)明專利中第一次正式提出，但最初的研發(fā)工作在8年以前就開始了。與傳統(tǒng)鋰離子電池的固定粘結電極不同，鋰漿料電池具有超厚漿料電極和可維護再生的兩大顯著的技術特征。
超厚漿料電極：漿料態(tài)的電極厚度可以達到毫米級的超級厚度，是普通鋰離子電池涂布粘接電極厚度的10倍以上，絕對精度控制更容易，電池制造成本降低，單個電極片容量大幅提升，更適合提供大容量的儲能電力輸出；非粘結狀態(tài)電極不存在松動脫落問題，動態(tài)使用壽命長。
可維護再生：當電池使用一段時間性能下降后，通過換液再生技術修復電池內(nèi)部界面，重新提升電池活力，延長日歷使用壽命；電池報廢后，非粘結態(tài)電極易于回收處理，實現(xiàn)90%以上材料的低成本循環(huán)再生利用。
目前鋰漿料電池已經(jīng)在光伏儲能系統(tǒng)和低速電動車里開展示范應用。這是第三方的安全測試，這是專利，我們已經(jīng)申請90多項發(fā)明專利，在國際上有獨立自主的技術卡法路線。這是我們的中試基地，一共1400平米，已經(jīng)開發(fā)了第一代中試產(chǎn)品，目前正在開發(fā)第二代，預計下半年可以開始放大生產(chǎn)線的建設。
儲能的應用場景多元。因此沒有任何一種技術能把所有的儲能問題解決。鋰漿料電池是典型的容量型電池，不適合在高倍率下運用，所以高功率儲能場景需要其他一些新的技術開發(fā)好應用，比如高電壓電池。
總結，第一，以需求為導向，要根據(jù)不同應用領域的實際需求發(fā)展相適應的儲能技術，低成本、長壽命、高安全、易回收是儲能電池技術發(fā)展的總體目標。第二，未來需要創(chuàng)新，而且不僅僅是材料創(chuàng)新，還包括結構技術、制造技術、修復技術、回收技術，以及應用技術的創(chuàng)新，有很多的研發(fā)工作要做。第三，盡管有各種各樣的新型技術在實驗室出現(xiàn)，在實際應用中，最近五年，針對不同儲能應用場景進行創(chuàng)新結構設計的專門的大容量，大功率的儲能鋰電池將得到最廣泛的應用。儲能從促進可再生能源消納到降低可再生能源利用成本，任重道遠，還有很長的路要走。
最后，協(xié)會和我們電工所核心期刊《電工電能新技術》合作，今年會出一期儲能應用?？?，是正刊發(fā)表，核心收錄。歡迎大家踴躍投稿，投稿郵箱：cies2019@126.com。謝謝！
（本文內(nèi)容根據(jù)演講人錄音整理）
