中國儲能網(wǎng)訊：2017年4月24-26日，第七屆中國國際儲能大會在蘇州香格里拉大酒店圓滿召開，來自中、美、英、德、澳、日、韓等國家的1400余位嘉賓到場參會。大會共邀請140余位行業(yè)專家與企業(yè)代表，圍繞產(chǎn)業(yè)熱點話題，發(fā)表了一系列精彩演講，中國儲能網(wǎng)將向讀者傳遞本次大會最具價值的聲音。
大會期間，中國科學(xué)院物理研究所研究員李泓，在“電動汽車與動力電池專場”，以《從液態(tài)到全固態(tài)電池：未來儲能技術(shù)展望》為題發(fā)表演講，現(xiàn)將演講主要內(nèi)容發(fā)布，以饗讀者。
中國科學(xué)院物理研究所研究員李泓
李泓：非常高興跟大家分享我們的工作，因為我們最近制定國家重點研發(fā)計劃包括編寫意見的時候涉及到儲能方面，如果我的理解有偏差歡迎各位同行交流和指正。
剛才劉彥龍老師的報告介紹了動力電池的市場規(guī)模，我們這邊就是在大規(guī)模儲能不包括動力電池這方面，主要是大規(guī)模的智能電網(wǎng)調(diào)峰、可再生能源接入、分布式、微網(wǎng)以及通訊基站、數(shù)據(jù)中心。在這里面中國鋰電池占比在世界范圍內(nèi)高一些，日本的鈉硫電池一直沒有進(jìn)入到中國而且鋰電池的性能越來越好，在運行當(dāng)中也體現(xiàn)出了優(yōu)勢，所以在儲能方面的占比越來越高。這是他們統(tǒng)計幾種不同技術(shù)，我沒有再更新2016年的數(shù)據(jù)，從這上面可以看到正在運行的38%，正在裝機的鋰電池占了非常大的份額，因為受動力電池產(chǎn)業(yè)鏈快速發(fā)展的支撐。在這里面他們統(tǒng)計了主要的幾種應(yīng)用和主要的幾種技術(shù)，從這上面看到鋰電池的占比也是在逐年的提升過程中。從應(yīng)用上講根據(jù)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)可再生能源并網(wǎng)，大部分都是國家和地區(qū)的示范項目，然后就是電力分配、分布式發(fā)電和微網(wǎng)，中國市場上主要就是分布式發(fā)電和微網(wǎng)近兩年來迅速的增長，占比超過了50%，通過剛才趙總介紹的通過子母差價直接獲益也是有可能的。
這是更詳細(xì)的總結(jié)，就是USE給的數(shù)據(jù)，把電網(wǎng)和電力這里面儲能的應(yīng)用分成了三個主要的部分。一個就是按照考慮叫短時高頻次的，就是毫秒量級、秒量級到幾十秒的情況。第二個就是中頻的，在分鐘到小時級然后長時間的低頻次，一天對一次。目前一般最長的也就是五六個小時，所以按照這樣不同的段來分再把不同的30種應(yīng)用放到上面進(jìn)行細(xì)分，這個事情就是給大家一個提示，將來在各個細(xì)分應(yīng)用方面發(fā)展應(yīng)用哪種技術(shù)，這是很關(guān)鍵的一點。
從技術(shù)的準(zhǔn)備上面，從非常小的芯片開始到最后大規(guī)模的調(diào)峰到GWh這里面有不同的技術(shù)，我們在討論無論是物理儲能還是化學(xué)儲能的一些指標(biāo)，在每個技術(shù)的應(yīng)用上面權(quán)重是不一樣的。在規(guī)模儲能方面可能會更關(guān)注技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，就是說它的成本和壽命還包括循環(huán)壽命當(dāng)然還包括響應(yīng)時間，我們稍微的簡單總結(jié)了一下因為時間關(guān)系我還沒來得及把這張圖完善。核心的幾個技術(shù)指標(biāo)從規(guī)模儲能應(yīng)用上包括循環(huán)壽命、服役壽命、能量效率、響應(yīng)時間、自放電率、能量密度以及儲能成本，在客戶考慮儲能應(yīng)用的時候核心這幾個指標(biāo)有不同的權(quán)重針對不同的需求去考慮，我們在這里面發(fā)展了很多的儲能技術(shù)要考慮清楚不同技術(shù)主要的技術(shù)指標(biāo)特點，定量的指標(biāo)到底在哪，剛才展示的表是定性的。定量的指標(biāo)里面最關(guān)注哪些核心技術(shù)指標(biāo)、哪些技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)，后面一個小結(jié)就是說把一些考慮的問題，剛才是技術(shù)方面的問題，接下來要應(yīng)用的話還是其他的因素。首先肯定關(guān)注大規(guī)模儲能的安全性是否能夠滿足應(yīng)用，第二個就是說可靠性怎么樣，然后是在安裝調(diào)試的時候是否很復(fù)雜，后就是能否適宜各種儲能應(yīng)用環(huán)境以及運行的時候能否實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，這樣在無人地區(qū)或者少人地區(qū)很便于安裝，另外整個儲能系統(tǒng)是否易于維護(hù)或者免維護(hù)，再一個就是作為政府部門非常關(guān)心的就是在整個儲能制造、使用以及服役到回收的過程中全壽命周期中能否全面解決環(huán)境污染的問題，或者給環(huán)境污染帶來的影響。還有就是從安裝和維護(hù)上面是否易于集成和靈活配組，另外就是說我們這里有很強的需求但是能否產(chǎn)業(yè)化需要一個產(chǎn)業(yè)鏈來支撐，產(chǎn)業(yè)鏈從原始的礦材開始到最后整個模塊系統(tǒng)應(yīng)用以及到檢測回收都需要一個完整產(chǎn)業(yè)鏈，那么哪一個儲能技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈完整了才能夠支撐大規(guī)模的儲能利用，現(xiàn)在經(jīng)常遇到政府很著急說我要支持儲能技術(shù)但是可用的儲能技術(shù)并不是特別的多。另外作為企業(yè)和研究團(tuán)隊考慮未來5-10年有哪些重要技術(shù)會應(yīng)用，另外支撐每一種應(yīng)用的具體技術(shù)到底是哪些，首先肯定要選擇度電成本按照典型差價可能五年實現(xiàn)利潤成本回收接下來壽命越長商業(yè)上成功的可能性越大當(dāng)然還有一些前提，安全性產(chǎn)業(yè)規(guī)模、客戶體驗。
剛才我們說到技術(shù)方面的要求以及其他方面的要求，現(xiàn)在還有幾個問題跟大家一起交流和分享，我們沒有說有標(biāo)準(zhǔn)答案但是就希望在這幾年的發(fā)展過程中把這個事情說清楚，就是到底適合三個主要類型短時高頻、中時中頻和長時間低頻次的儲能技術(shù)是哪一種或者哪幾種，針對每一種具體的需求是不是需要有兩個以上的儲能共存和開發(fā)，從需求的角度考慮是否需要兩種以上技術(shù)互相補充。如果有很多的指標(biāo)要求對于客戶來說面臨一個選擇，到底綜合考慮哪個技術(shù)的先進(jìn)性最適合我的標(biāo)的，多目標(biāo)要求下怎么來評價具體儲能技術(shù)最佳適應(yīng)性，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性方面依次采購成本、運維成本、安裝成本和維護(hù)成本還有回收的成本，針對不同的應(yīng)用需求整體技術(shù)經(jīng)濟(jì)性而且不同的儲能需求產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價值和社會價值也不一樣，怎么樣準(zhǔn)確的評價我們在前期通過協(xié)會、發(fā)改委、研究機構(gòu)也做了一些技術(shù)經(jīng)濟(jì)性方面的理論和實際研發(fā)，但是還不是特別清楚，如果不能清楚的話前期討論的補貼政策就很難落實到很具體的方面，哪一種儲能需求需要補貼、補貼多少要把這個事情說的相對清楚一些才好推動發(fā)展，這是幾個要考慮的問題。
接下來跟大家重點的交流一下鋰電池方面的考慮。能量密度是非常關(guān)鍵要考慮的，能量密度的提升主要是通過材料的更替或者是電芯技術(shù)的進(jìn)步把非活性材料逐漸降低比例提高活性材料比例同時提高活性材料自身儲能的技術(shù)才能不斷進(jìn)步，但是按照過去的發(fā)展鋰離子電池是穩(wěn)定增長的，無論是體積能量密度還是質(zhì)量的謎密度，按照這樣的發(fā)展速度從本身過去發(fā)展歷史，無論技術(shù)是否能跟上原來的趨勢也好還是說從很多的新技術(shù)可能性，大家認(rèn)為2020年動力電池可以做到300瓦時，但是規(guī)模儲能的技術(shù)能量密度能做到什么程度，我們?yōu)槭裁捶且非竽芰棵芏?，因為追求能量密度降低成本，到底做到什么樣的能量密度我的循環(huán)壽命能滿足客戶要求至少5000次最好是一萬次20年的使用壽命。從鋰電池發(fā)展的情況來看核心變化主要是一些材料，材料從第一代到第二代到現(xiàn)在的第三代而且多元化的應(yīng)用，材料方面有很多第三代材料依然還在開發(fā)中，雖然聽起來鋰離子電池技術(shù)進(jìn)步大家都希望是顛覆性的技術(shù)進(jìn)步，但是就現(xiàn)在而言三元材料還有很多技術(shù)和科學(xué)問題沒有解決，這方面還要繼續(xù)深入研發(fā)，還有配套各方面的技術(shù)。
這是我們在2016年代表工信部和科技部發(fā)布的指南里邊支持百兆瓦鋰離子電池最后是寧德時代新能源通過激烈的競爭勝出，這個項目里面國家的要求是循環(huán)次數(shù)能夠一萬次以上，日歷壽命是20年，電芯成本在1200元每瓦時，安全性滿足動力電池國標(biāo)，儲能的國標(biāo)還在策劃中沒有完全發(fā)布。從系統(tǒng)的角度循環(huán)是一萬次，日歷壽命大于15年安全性滿足國標(biāo)，成本小于1.5，一般來說一次采購成本加上一萬次的壽命完全在商業(yè)上是可行的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過5-6年成本的回收期所以從這點上講這些技術(shù)如果一旦突破的話那么可以顯著提供和促進(jìn)大規(guī)模儲能技術(shù)的發(fā)展。
從動力電池角度看目前的技術(shù)路線逐漸比較明朗，就是優(yōu)選第一行業(yè)的材料是高鎳的622、811和NCA，富極方面動力電池方面逐漸的少量參加然后采用隔膜，接下來一些備選技術(shù)包括正在開發(fā)的高容量震級材料，納米硅碳方面研發(fā)時間已經(jīng)20多年但是循環(huán)壽命還有明顯差距但是效率比較高，所以在這個基礎(chǔ)之上現(xiàn)在一些企業(yè)和研究團(tuán)隊包括我們自己正在開發(fā)下一代的就是兼顧了循環(huán)性和納米硅碳的高效率材料，接下來通過密度讓各種演示可以做到300瓦時每斤，接下來要解決就是在實用過程中的循環(huán)性體現(xiàn)能量密度、膨脹以及自放電的問題，還要考慮到底是在圓柱、軟包還是在鋁殼中體現(xiàn)這是需要其他技術(shù)的進(jìn)步，負(fù)極材料和正極材料的優(yōu)化來實現(xiàn)，時間關(guān)系我今天就不詳細(xì)說了。作為動力電池的應(yīng)用如果我們是三個瓦時那按照現(xiàn)在的說法還剩240瓦時，做梯次利用顯然遠(yuǎn)高于任何一種其他電池的能量密度。在考慮發(fā)展高能量密度動力電池如何兼顧后期大規(guī)模儲能、梯級利用也是企業(yè)和研究團(tuán)隊需要注意的問題。國家層面提高內(nèi)兩密度是各個國家都關(guān)注的從300瓦時每公斤一直提升到500瓦時每公斤，從企業(yè)量產(chǎn)技術(shù)到研發(fā)技術(shù)300-500技術(shù)上怎么實現(xiàn)？公認(rèn)路徑是逐漸把一部分用金屬鋰來替代。我們做過一些計算如果把負(fù)極材料用石墨來做的話不同的正極材料選擇能量密度的確是可以做的比較高一些，這樣的話將來的度電采購成本比較高，這是一個發(fā)展趨勢。能量密度提高必然會問現(xiàn)在250瓦時的我們現(xiàn)在追求300甚至400和500商業(yè)上有沒有特別行，這是需要考慮的問題，怎么解決這個問題？很多團(tuán)隊都說我們要做固態(tài)電池，因為現(xiàn)在液態(tài)里電子帶來一系列的問題。有些含量還在減少，這是很重要的。你看這里面展示的現(xiàn)在換成了金屬模，這個技術(shù)能否成功這是另外一個問題，很可能商業(yè)上成功含鋰的電池不一定是金屬鋰。從大家的期望上看我沒有電解液的泄露所以各個方面理論上都應(yīng)該很長，所以聽起來是相當(dāng)不錯，這樣應(yīng)該是一個發(fā)展方向所以需要做詳細(xì)的開發(fā)。在之前2016年我們寫了一個在上面發(fā)表，簡單的把固態(tài)電池考慮介紹了一下，大家可以看一下從細(xì)節(jié)上講時間關(guān)系我就不展開，我們?nèi)绻鲆粋€固態(tài)電池現(xiàn)在需要解決的問題就是說從負(fù)極到正極集流體所有的材料需要考慮的問題我列出來，有為了解決這些問題很多公司、企業(yè)和研究團(tuán)隊提出了不同的解決方案，針對固態(tài)電池的設(shè)計有不同的解決方案，如果每一個解決方案實際上應(yīng)用的只有一個選擇，但是如何選擇這么多的可能性導(dǎo)致現(xiàn)在看起來研究的團(tuán)隊和發(fā)表成果非常多，但是到底哪些技術(shù)能夠更容易商業(yè)化、更容易規(guī)?；慨a(chǎn)哪些技術(shù)能解決固態(tài)電池面臨的挑戰(zhàn)這還不是特別的清楚，也是同樣在這篇文章里我們總結(jié)了一下。現(xiàn)在都有哪些固態(tài)電解質(zhì)？主要就是氧化物的電解質(zhì)還有氫化物，薄膜還有就是環(huán)氧乙烷這些體系。按照這種統(tǒng)計沒有一種電解質(zhì)能夠滿足現(xiàn)在液態(tài)電解質(zhì)各方面綜合平衡的所以就需要繼續(xù)開發(fā)綜合解決界面反映問題和安全性問題，幾個方面同時解決。很多企業(yè)都開始關(guān)注和投入開展研發(fā)特別是日本企業(yè)，我們在這看了一系列的公司都參與了這方面的研發(fā)，并且從90年代開始就在做，像豐田公司、都在做，韓國有LG、三星做的非常多，另外像康寧等等現(xiàn)在也在做這些事情。從技術(shù)路線上主要就是說豐田公司在2014年之前用硫化物的電解質(zhì)做出固態(tài)電池展示來，但是從體積能量密度上沒辦法做的很薄所以2014年之后改了技術(shù)，主要是重點解決固體電解質(zhì)在溶劑中溶解的問題和涂層的問題，在他們企業(yè)內(nèi)部來看是一個重要技術(shù)進(jìn)步。將來從大規(guī)模生產(chǎn)很難說理解固態(tài)電池會通過比較慢的辦法來實現(xiàn)，應(yīng)該是充分的考慮現(xiàn)在鋰離子電池高精度生產(chǎn)工藝來做，所以我個人認(rèn)為不同形式的涂布工藝是未來固態(tài)電池主要生產(chǎn)的技術(shù)。這個電池正極就是磷酸鐵鋰，主要是因為聚合物電解質(zhì)不耐高電壓充電到3.8V就氧化了，所以適合的正極就是磷酸鐵鋰，作為電動汽車做了一些展示，的確是一個新的技術(shù)，但是從應(yīng)用角度考慮還是希望能量密度再高一些，聚合物能否開發(fā)出高電壓這是一個很大的挑戰(zhàn)，到目前為止在大規(guī)模電池測試方面通過測試還比較少，還有一種可能性就是全部耐電池很難解決在充放電過程中帶來接觸省察的問題有沒有可能加一點點電解液把界面潤濕了，東芝公司展示的就是加一點液體，液體含量在4%左右，在這個例子里面用氧化物做電解質(zhì)，但是這個電解質(zhì)的厚度只有3微米，再把正負(fù)極材料之間混一些電解質(zhì)粉再加上一點液體這樣液膜相當(dāng)于吸附在表面起到減少界面電阻的作用，這個技術(shù)展示的是能夠在60度循環(huán)1800次堅固高低溫，同時電解液少到一定程度的時候原來的濕性就會大大下降，但是現(xiàn)在具體而言下降到什么程度還需要大量掩碼，這代表了一種平衡的設(shè)計考慮，直接做很難也不知道怎么樣量產(chǎn)，我先兼顧一下減少液體含量。
我再簡單介紹一下我們科學(xué)院，首先是展示一下目前國內(nèi)做固態(tài)電池的公司企業(yè)和研究團(tuán)隊的分布。從這張地圖上可以看到現(xiàn)在做固態(tài)電池材料這個地方我在這展示的不是說做基礎(chǔ)研究文章，就是說有能力做出軟包電池樣品的公司已經(jīng)很多了，從南到北都有不同的企業(yè)在開發(fā)，其中里面的細(xì)節(jié)不再介紹了。在基礎(chǔ)材料能夠提供50微米的樣品，后面還有能夠提供本身的材料，這樣的話從產(chǎn)業(yè)鏈上考慮不存在圓存料上的障礙。從技術(shù)方面就是如何解決電解質(zhì)的量產(chǎn)，怎么樣做出固態(tài)電解質(zhì)含有的正極和負(fù)極。我們在科學(xué)院有一個先導(dǎo)項目在今年電動汽車會議上介紹過工作，主要動力電池方面的研發(fā)我不介紹了。我們安排了固態(tài)鋰電池的研發(fā)包括硫化物的團(tuán)隊以及崔光磊團(tuán)隊在另一個會場有報告。這里面有24個負(fù)責(zé)人有400多人的研究團(tuán)隊正在開發(fā)，針對前面說的各種技術(shù)做這件事情，歡迎大家在這方面進(jìn)行技術(shù)的交流，我們也希望這些技術(shù)能夠轉(zhuǎn)移到企業(yè)去促進(jìn)這方面的發(fā)展。
2015年的總結(jié)就是開發(fā)了一些技術(shù)包括鋰離子電池以及鋰空氣電池還有固態(tài)電池，現(xiàn)在這些技術(shù)有一些形成了初創(chuàng)公司，有一些跟大的企業(yè)直接參與合作還包括做了動力電池的裝備以及建立了國內(nèi)第一個互聯(lián)互通的綜合測試分析平臺來做動力電池的分析。我今天再簡單介紹一下固態(tài)電池方面的進(jìn)展，第一個要解決金屬鋰的問題，一個是在集流體上用多空甚至是三維結(jié)構(gòu)的集流體來解決金屬鋰的體積變化問題。第二個在金屬鋰表面蓋上新一層的電解質(zhì)，它的區(qū)別就是能夠耐受4.5V的電壓，所以原則上講是可以跟三元材料一起搭配的，這樣的話能量密度會比較高一些。郭玉國老師還承擔(dān)了納米重點專項，這里就是要開發(fā)高能量密度，納米固態(tài)金屬歡迎大家跟郭老師進(jìn)行技術(shù)的交流。然后是材料，幾個單位開發(fā)了一些幾十公斤級的材料包括硫化物的材料，這些材料基本上都可以做到幾十公斤級的生產(chǎn)并且可以做成陶瓷的片以及負(fù)荷膜用在下一個演示驗證上面。往大容量做現(xiàn)在還有一些生產(chǎn)上設(shè)備方面的挑戰(zhàn)和困難，他們還開發(fā)了混合工業(yè)電解質(zhì)的電池，有的人也叫固態(tài)電池，主要特點就是既能在市溫下工作也能在高溫下工作，現(xiàn)在是80度循環(huán)做到140以上容量保持率還很高。這個電池不怕高溫和熱時空，將來有電芯可以考慮設(shè)計出全新的模塊來解決目前水冷和風(fēng)冷在整個電池報上的占比比較高的問題。安全性測試也通過了一系列測試，崔老師今天下午會有一個報告，簡單介紹一下。他是想辦法解決PEO的問題，解決的思路就是說再聚合物里面用纖維素再加上碳酸質(zhì)再加上鋰離子導(dǎo)體綜合提高材料的電導(dǎo)性達(dá)到平衡。用這樣一個電池開發(fā)了軟包電池目前也接近300Wh每公斤，最近在微信上大家都看得到新能源所做的電池做了6次深海實驗下淺到了11000米沒有發(fā)現(xiàn)任何問題，固態(tài)電池在深海外壓的情況下也能進(jìn)行工作，這一點對動力電池設(shè)計以及儲能電池設(shè)計應(yīng)該說也是一個很好的啟發(fā)，所以我們會繼續(xù)開發(fā)這件事情。
電池方面相對水平稍微低一些，還需要再摸索，他們也是正在往前努力。物理所一直在開發(fā)，后來由于液態(tài)鋰成功我們后來就轉(zhuǎn)型開始做這個，能量密度提升以后安全問題突出，近年來又開始做固態(tài)鋰電池，提高能量密度解決安全性的問題。
我在這介紹一個例子我們希望在固態(tài)電池中怎么樣解決固態(tài)電解質(zhì)和正負(fù)極之間的接觸，所以希望在電池里面原位固態(tài)化的電池采用一種特殊的隔膜叫離子導(dǎo)電涂層隔膜解決傳導(dǎo)和界面穩(wěn)定性的問題。剛開始是有液體的，這個我就做了一下展示可以做到310到350中間，870瓦時到890瓦時，從指標(biāo)來看是有希望的，接下來確實需要花很大的力氣來解決這個問題。這個也是兼容現(xiàn)在所有的設(shè)備，主要是因為考慮到如果我做全新的電池肢體解決方案所有設(shè)備都要顛覆性的話對產(chǎn)業(yè)鏈長期發(fā)展或者說產(chǎn)業(yè)鏈接受程度也是很難的，最好是能夠兼顧現(xiàn)有設(shè)備通過材料和制造環(huán)節(jié)改變開發(fā)新的電池技術(shù)，這是新的考慮。實驗室可以展示出一個好的循環(huán)性，在高容量的情況下體現(xiàn)的，這方面還再繼續(xù)進(jìn)行。這種電池甚至可以放在水里面進(jìn)行，將來也許有可能用在可穿戴電子里面，這是智能手環(huán)展示，這是紙的展示，這種固態(tài)的電池有可能將來在這方面獲得一些應(yīng)用，因為它的特點就是能量密度特別高?？偨Y(jié)前面提到各種技術(shù)在電池上面，我們現(xiàn)在液態(tài)電池軟包里面含有15%-25%的電解液取決于分裝材料和設(shè)計，這里現(xiàn)在有些企業(yè)開始做一體化的解決方案未來如果想全面提高安全性直觀理解是說要做金屬鋰負(fù)極這樣能量密度很高安全也許很好，中間過渡看怎么樣從20%的電解液到1%的含量之間會發(fā)生什么，這樣電池各方面的性能有什么樣的變化這是現(xiàn)在需要研究的，還沒有哪些企業(yè)能夠研究清楚這些問題研發(fā)團(tuán)隊也在開發(fā)中。電工所的老師還在拿液體容量加大，像MIT檢驗流程，這種不同的考慮導(dǎo)致這里面還有很多創(chuàng)新的機會在鋰電池開發(fā)上來說。從應(yīng)用上來講我們就是希望怎么樣能夠借助液態(tài)鋰電池的優(yōu)點回避安全方面的缺點和能量密度提升的困難，能不能取長補短做這件事情。從動力電池上很可能動力電池以及儲能電池開發(fā)商我們認(rèn)為首先是固態(tài)鋰離子電池然后是固態(tài)金融鋰電池，最終也許就是到了固態(tài)的負(fù)荷金融鋰電池到了極限，最后感謝各位合作伙伴以及國內(nèi)中科院12個單位，還有高等院校以及國外研究所和企業(yè)，感謝大家的聆聽，謝謝。
（本文根據(jù)現(xiàn)場錄音整理，未經(jīng)本人審核）
