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直击长沙|时代联合研究院杨晖:大圆柱电池在用户侧储能领域的应用

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2022-12-02 浏览:

中国储能网讯:11月24-26日,由湖南省工业和信息化厅、湖南省商务厅、长沙市人民政府、中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合主办,100余家机构共同支持的湖南(长沙)电池博览会暨第二届中国国际新型储能技术及工程应用大会在长沙圣爵菲斯大酒店召开。此次大会主题是“新能源、新机遇、新高度”。

会议期间,组委会邀请了时代联合研究院院长杨晖分享主题报告《大圆柱电池在用户侧储能领域的应用》。以下是发言主要内容:

杨晖:尊敬的会议组织方,各位领导,各位专家同仁,非常感谢会议组织方给我这个机会来汇报工作。

我是时代联合研究院院长 - 杨晖,我今天汇报的题目是《大圆柱电池在用户侧储能领域的应用》。

今年夏天,全国大面积高温干旱,居民用户的制冷需求疯涨,就连水电资源丰富的四川省,也从7月高峰时期电力紧缺,演变到8月全天电力缺乏的局面。为确保电网安全和保障民生用电,四川省经济和信息化厅和国网四川电力公司联合下发了《关于扩大工业让电于民四川范围的紧急通知》,从8月15号开始对四川电网所有工业电力用户停了5天电,全面实施让电于民。

让电于民政策让民生用电问题得到缓解,但是怎样才能更好在民生用电和工业用电之间达到平衡?改善民生,这就是我们要大力发展用户侧储能的核心意义所在。

早在去年7月15号,发改委、能源局就颁布了《关于加快推动新型储能发展的指导意见》,鼓励用户侧储能建设,提出了完善峰谷电价政策,鼓励对用户侧储能提供一站式服务,为用户侧储能创造了极大的发展空间。

用户式储能其实就是一个小型储能电站,在参与园区、商业区设备供电的同时,可以进一步降低电网负荷,稳定电网安全,有效降低用电高峰时拉闸限电的影响,确保企业正常生产,或者商业区正常运行。

其次,用户侧储能可以充当备用电源的角色,以应对临时断电、停电的风险,保证生产正常运行。

随着我国峰谷电价政策进一步完善,用户侧储能目前也具备了良好的峰谷套利,在局部地区具备良好的盈利模型。

从去年开始,用户侧储能利好已经逐步显现,但是怎么规模化发展仍然面临着一些问题,主要体现在三方面:

一是储能电站本身的安全性:

储能电站用的电池和电动汽车用的电池目前都是以锂离子电池为主,储能更偏重磷酸铁锂电池,因为磷酸铁锂电池安全性相对好一些,但是近些年基于磷酸铁锂电池的电动车或储能电站的安全报道仍时有发生。

据不完全统计,截止目前,全球累计记录储能电站起火70余起,仅今年上半年就有17起,因为储能电站所用电量是十倍、几十倍、甚至300倍于电动汽车,每一次储能电站的安全事故,都会给我们带来巨大的经济损失以及惨痛的教训。

二是回本周期不一样:

用户侧储能目前主要盈利模式是峰谷电价套利,但是各省峰谷电价政策不一样,沿海省份,像浙江、广东、江苏、山东、上海峰谷电价差价大一些,浙江存在两次峰谷差价,在这些地方用户侧储能可以在比较短的时间内收回成本并盈利,但是内陆城市峰谷差价不明显,用户侧储能电价差达不到回本的要求。所以我们可以看到,用户侧储能在沿海地区,在浙江、山东发展的势头比较迅猛。

三是针对不同用户群体,如商业群体、工业群体,每个群体都有各自的诉求,每个项目都存在差异,没有标准产品可以同时满足所有用户需求,项目可复制性比较差。

储能电站安全可以从四个层面来看,电芯层面、系统层面、运维层面以及整个项目层面,其中电芯层面的电芯安全,又是整个储能系统安全的基础。电芯不安全的话,上面三个层面的安全无从谈起,只有在电芯安全相对安全的基础上,才能考虑怎么进一步提高系统安全,保证运维安全,最后保证项目的安全。

时代联合在电芯安全方面,我们最开始介入原储电芯的时候就把安全摆在首位,我们做了三方面工作来提升原储电池的安全性:

首先,我们采用的是最成熟的大圆柱电池卷绕工艺,结合大圆柱电池的连续涂布技术,降低了极片本身的毛刺和粉尘产生几率,同时基于多元经验解决了卷入过程中硬力和C角问题,从电芯内部提升了电池的安全性。

其次,在电芯本身的结构设计方面,我们引入了低压力双向安全阀系统,这个双向安全阀具有高灵敏、可恢复的特点,可以自动平衡电池内外气压,使得电池万一内部有气体沉积的话,可以及时排出,保证电池内部不会在高压力情况下工作,同时具备及时闭合功能,防止外部空气和水分浸入,进一步提升电池安全性,安全可靠性覆盖电池全生命周期。

最后,我们采用了大圆柱全极耳技术,可以保证非常好的电流密度分布,确保在大功率工作情况下,具备更好的电流通过性及更少的发热量,进一步稳固了电池的安全性。

在保证电池安全的前提下,如何降低第一次进入成本和使用成本,也是我们需要思考的关键。

第一次进入成本是我们要保证低制造成本,时代联合对于正负极采用的都是水性涂布技术,采用去离子水作为电池溶剂,节省了NMP成本,减少了生产过程抽湿耗能,还节省了正极车间建造和运维成本。

其次,首创的15道锂离子电池生产工艺,仅需15道工序就可以完成电芯的制程,相当于其他电芯二十几道、甚至三十几道工序,减少了生产设备的投入和生产耗能,满足电化学储能经济性需求

在多研制造基础上,我们优化了电芯本身的结构设计,以50Ah电芯为例,在25度,0.5C倍率的情况下,6000周的循环后还有70%的容量保持率,有效降低了使用成本,有利于大规模推广。

这是时代联合的用户侧储能示范站,单套储能系统是230度电,里面用的是我们左上侧看到的6P12S大圆柱电池模组,整个系统的转换效率在90%左右,目前我们公司共有3套储能柜并联使用,未来计划扩展成7套,来进一步扩大储能电站的用电量,满足我们公司自己在高峰时期生产和办公的用电需求,目前已在湖南、山东、浙江等多个地区投入运营。

下面看一下我们的运营数据。

我们公司的储能电站是从5月份开始运营的,采用两充两放,到8月份每月稳定营收在2万左右,9月份的收益为2.2万元,保守估计4年可以回本,预计随着峰谷电价差的进一步拉大,投资回报期将进一步缩短。

为了应对目前储能市场不同用户和不同产品需求,我们也在丰富产品规格,下一代会推出75ah和100ah的储能电池产品。同时应对目前碳酸锂价格高涨,我们计划用沉重钠离子增极结合硬碳,推出了全球首支超三元处理的钠离子电池,很快我们就会出样品,并进行试用。

我们研究院跟南京工业大学合作,在磷酸铁锂材料新工艺尝试做了大量工作。因为磷酸铁锂目前是储能的主能材料,需求非常旺盛。从2020年的14万吨,到2021年的42万吨,今年肯定会突破一百万吨,发展呈指数增长,但是统计表明,他们非常关注磷酸铁和磷酸铁锂市场的发展,多次指出磷酸铁产能的扩展和磷酸铁锂产能扩张存在不匹配性,明显落后于磷酸铁锂,目前整体涂层GAP会差几十万吨的样子。

我们总结分析过,也跟业内讨论过,我们认为磷酸铁锂本身的生产工艺,是工艺没有跟上产能的发展。因为用磷酸铁来做电池极的磷酸铁锂,本身对磷酸铁的要求很高,从产品纯度,颗粒大小,粒径分布与表面都有非常高的要求。以往在磷酸铁需求量比较小的时候,每年几万吨、十几万吨的时候,单条线各个厂家都做得非常小,用的都是两到三立方的反应弧,现在骤然产能扩大,这些大厂投产的时候,会把产量放到30吨,50吨,甚至一百吨。

据我们所知首次一百吨以上的目前成功的很少,可能只有一家,并且还是基于磷酸和氢氧化钠,不是基于磷酸氢氨的。基于磷酸氢氨放到很大的反应弧基本上没有听说过有成功案例。原因是因为在反应弧中间磷酸亚铁和磷酸硅混合之后,在过氧化氢的作用下,再用氨水或者烧结的时候PM值,沉降是指磷酸铁的过程中间,这个过程中对混合非常敏感,意思就是说它对局部微环境、温度、PH值,以及这个微环境中间反应物的剂量比都会影响最后产品本身的性能。在反应弧比较小的时候,理想混合比较容易达到,但是反应弧放大到10倍,到30方,60方,甚至100方的时候,这个混合问题很难解决,会导致产品质量受到影响。

基于这个原因,我们提出了采用连续化工艺,完成反应沉降以及晶粒生长,同时在反应物过滤,我们引用了陶瓷膜,做到整个过程的连续化,到喷雾干燥,甚至连着喷雾干燥这一块,我们都是连续化的工艺。连续化工艺的优势一是稳定性好,二是废水量少了很多,传统工艺废水一般是在50~70吨,我们采用连续化新工艺之后废水可以控制在30吨左右,这样能耗降低了。连续化可以实现自动化生产,自动化程度高,用人成本也低。能耗减少,只有传统的50%左右,综合成本降低10%左右。

在电芯安全方面,刚才我们介绍了时代联合,我们的大圆柱系统在电芯层面相对来说是比较安全的。在模组和系统安全方面,我们计划引入气凝胶,我们做了一些前瞻性工作,因为气凝胶是目前最好的绝缘材料,热导率比空气还小。空气是0.023,气凝胶可以做到小于0.02,同时气凝胶密度很低,只有水的1‰的密度。这样我们把气凝胶用于电池系统,有一个好处,它基本上不拉低系统的质量能量密度。

在做实验的时候,我们相当于直接用了最危险的电池—软包电池,我们现在还不是做的铁锂,我们直接上了高镍三元811,负极是硅碳,整体电芯是65安时,能量密度有320瓦每公斤。对于这样的电芯气凝胶可以起作用的话,将来再把它用于铁锂的话,安全性完全是有保证的。我们避免电芯发热失控的时候燃爆是非常剧烈的,温度可以到1300℃。我们在实验室内用了一小块加热原件,用304加到一起会引爆一号电机,我们希望做到用气凝胶来隔断热蔓延,使得2号电机不发生燃爆。

这是我们的实验结果,跟大家汇报一下。我们实验用了4种不同厚度的气凝胶,1.2、1.8、2.3、2.8,在加热板加热之后基本上是在110秒左右,第一颗电芯就燃爆了,剧烈燃烧得很厉害,这个会维持30秒左右。从这个结果我们可以看到,1.2毫米和1.8毫米的气凝胶还不够厚。1.2毫米气凝胶在第一颗电芯燃爆50秒之后它也会被引燃,第二颗1.8毫的电芯在第一颗电芯燃爆100秒之后也会被引燃,但是只要气凝胶厚度达到2.3毫米,第二颗电芯就安全了,它不会发生电池反应,2.8毫米更是如此。证明我只要用2毫米左右的电芯,对于能量密度高达320瓦每公斤的高粒三元硅碳电池可以阻断它的热蔓延。可以想象,将来我把它用在无线或者是磷酸铁锂电池的时候,只要是合理试剂,其实可以极大提高整个系统的安全性。

下来看两个视频,这是1.8毫米的,这是2.3毫米的,这是完全阻隔。

(视频)加热很快,第一颗电芯就发生了燃爆,这个燃爆会维持30秒钟左右,这个火焰慢慢弱下来,高温能到1300度,接下来在1000度以上的时间会维持十几秒,然后慢慢到900度,800度。

这是气凝胶,1.8毫米的气凝胶不能完全完成热阻隔,后面再过二十多秒,这个电芯表面温度已经超过了200度,在220~230度的时候这个电芯很快也被燃了,我们看一下第二块电芯也很快被引燃。

我们看一下这是2.3毫米的,能够成功阻断热蔓延。第一颗电芯被引燃,一样的会持续30秒左右,最高温度1300多度也会持续十几秒,等火焰慢慢灭掉之后,这边还是可以看到这边是通红的,达到了八九百度的温度。旁边的电芯在整个过程中,十分钟,二十分钟一直维持相对安全的状态,没有燃爆,尽管2.3毫米的电芯实验完了之后拆下来,电压还在,但是充放电已经不正常了,而2.8毫米的电芯电压也在,充放电的时候还能保证一定的容量,但不是全容量。尽管电芯受到了一定影响,但是我们最重要的目的是防止单颗电芯出现热失控产生连锁反应,从而使事件走向不可收场的地步。

因为时代联合做的是大圆柱电芯,因为单个电芯相对安全,所以对于单个电芯本身被动安全,我们可能不打算用气凝胶巩固了。时代联合在存储成系统的时候用的是6P12S,我们会把很多模组排在一起。我们计划设定用气凝胶在模组和模组之间做一个阻隔,万一有一颗电芯出现问题的话,我们希望不要在模组之间迅速引发连锁反应,为整个系统进行抢救灭火,提供充足的时间。

最后和各位汇报一下时代联合公司整体情况。

湖南时代联合新能源专注于大圆柱电池的研发、制造及应用已经超过13年,核心团队成员都有15年以上的从业经验,在湖南省邵阳市有1G瓦时产能在运行,目前源源不断向各地输送,4G瓦时在建,未来计划是10G瓦时,用来满足储能电池及工程机械电池需求。

以上就是我与大家分享的内容,如果大家对大圆柱电池感兴趣,或者对气凝胶用于提升电池安全、磷酸铁锂连续化生产工艺感兴趣,欢迎一起交流探讨。

谢谢大家,谢谢会务组!

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关键字:用户侧 大圆柱电池

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