中科院黄学杰：锂电在储能应用领域将发挥更大作用
2016-11-30 09:49:15
摘要：中科院物理所黄学杰在2016中国储能技术与应用大会上表示，锂电无论是在能量型储存还是在电能质量的提升方面都必然会发挥更大的作用。
以下为黄学杰演讲文字实录：
黄学杰：各位老师、同学上午好，我想因为刚才有了两位非常好的报告，都讲到了储能非常重要。我特别同意蒙老先生的观点，储能今天不仅是在清洁能源，在电池高效利用，电动车量斗需要好的电池。因为电池目前是重要的储能。电池很简单，从铅酸、NiCd、NiMH、锂电池，大家口袋里都有，今天谁也离不开它。所以说整个全球市场份额上来讲，目前锂离电池的容量还是整个装机容量低于铅酸，但是发展的势头已经超过了它。锂电池本身概念很简单，今天我们讲锂电池都是锂离子电池。锂离子在正负极之间流动。我们这里抽锂离子抽到负极这一头，就充上电了。放电锂离子从负极到正极，中间关键材料隔开隔膜和电解质，今天电解质基本是液体，大家很关心它的安全问题。
什么样的材料能够作为正极材料，高电位还有锂的化合物，构成它的正极材料。什么样的材料构成它的负极材料。对金属来讲是低电位，又可以储存锂离子。无论通过什么样的方式，通过嵌入或者合金化可以把锂储存下来作为负极。
电池很重要，今天大家都很关心它的安全性，我会先讲一下安全性。大家都会知道三星手机电池出了问题，导致三星公司市值在短短几天之内下去了200多亿美金，你就知道损失非常大。而且很有可能跟咱们华为公司创造超越它的机会。为什么会有安全机会，电池里面负极材料是碳材料可燃，入锂后电池充电后负极嵌入锂后更加危险易燃，电解液是有机的溶剂，属于可燃材料，隔膜是材料，也是易燃材料，就是说电池内部大部分材料是易燃物质，包括铝，铜箔集流体。
有的东西不能减少，必须增加，比如说负极，电池有更高的能量，我们需要更多的负极装进去，你就知道它会很难减少，还需要增加。有一件事情可以做到的，炸药的量是没法减少它，但是我们可以在雷管去掉，雷管变得稳定起来，我们可以提高它的正极稳定性。从制造、设计、应用上面来讲防止它的温度过高，雷管点着的时候才会起作用。所以说防止出现这种现象，一旦出现这种过热，问题就来了，电池会越来越热，你打电话手机开始发热的时候赶紧把它扔掉，下一步就是泄气，破裂，期货，甚至有可能爆炸。所以大规模储能，我们会把安全放在第一位。
怎么样解决这个安全性，首先材料关系到安全性。为什么讲正极材料作为例子。正极材料变成一种氧化剂，强度决定我们电池安全系数。锂电池不像其他电池，锂电池材料很多，正极材料也有很多。大家口袋里是钴酸锂，可以让我们同样尺寸手机拥有最长的待机时间。还有锰酸锂，还有磷酸铁力、三元材料，我不细讲这个事情。不同材料都有它的不同特点，有的是能量密度高，有便宜，有的寿命长。我们做储能要求寿命长，更重要它必须是稳定，测量，拿热分析。我们给它冲上电，跟电解液放在一起做热分析，我们看它在什么样的温度下着起来。会开始发生发热反应，今天我们讲的最多三元材料，特斯拉汽车里面用的是镍钴铝，这个材料跟电解液一起你的温度到180，它非炸不可，你没有东西制止他。特斯拉为什么用这个东西，他这个材料做的电池能量密度高，他要追求充一次电跑500公里。美国人命关天，为什么允许他做。锂电池跟汽油不一样，锂电池短路、发热到爆炸的时间，一般都在三分钟以上。特斯拉的车是智能化，能做到一旦监测电池过热的时候，就快速报警，让你的车停到路边，你赶紧跑掉。前面人都跑掉了，后来在河南撞到大树没有跑掉，那个人可能已经死掉了。另外车子严重变形，人都不敢去，只能让它炸掉。这种事情放在车上可以，你可不敢拿它储能，因为你晚上睡觉的时候，你家里那个东西着了，那不行，你没有时间跑。储能我们需要更稳定的电池，这里有一个材料，磷酸铁锂，它首先你把它跟电解液一起加热之后，到了接近250度之后会放热。你热停下来之后，它就会自己冷下来。这个雷管你把他加热到一定温度，它会开始热，但是你如果没有持续的加热，这个东西自己会冷下来，你就有了这个安全性的材料。中国的节能汽车需要这种材料，因为这种材料满足了我们大规模的从公交车到小轿车到物流车。因为咱们在前面的电池厂比较多，良莠不齐，万幸中国人选择这个材料，把这种正极材料产量做到全球最大。不是中国人材料产量最大，而是这个正极材料产量最大，中国把它做到了。这个过程中我们感谢两位老先生，一位是钴酸锂、锰酸锂材料发明人，他在80年代初发现钴酸锂，90年代的时候他快80岁发明磷酸铁锂，现在蒙先生快90了，这位先生也很可敬，94岁每天早上第一个到实验室，还在一线工作。另外磷离子电子发明人M.Armand又是另外一个极端的例子，24岁发明了磷离子。他99年发现一个方法可以把它做成纳米材料，这个材料开始起来。基于这样的材料，储能电池我们就有了较为安全的体系，这就是国家电网为什么敢在张北分厂建那么大的储能体系，进入一个安全材料。
第二关键安全材料不多，你必须要有安全的结构。我想因为时间关系，我不能细讲。电池有圆有方，有软包装和硬。你的材料必须跟你的材料、应用相适应。你如果只是材料对了，你的电池设计部队，也是要出问题的。刚才讲的看起来很简单，制造技术很重要，装备很重要。软的电极做好了，方的做成扁的，看起来很简单，这个不能随便叠。日本老牌电池公司，由于百年历史的老牌公司，犯了一个大错，做这种高能量波音787飞机电池的时候，把本来应该叠的电池因为它的材料一个机械正负极膨胀，他采取比较方便转让式的结构，出事了。氢电池做出来没有问题，波音怎么测怎么合格，装上飞机之后，几十个起降下来你们的电池变成这个样子，硬件软硬导致里面变形，烧掉好几架飞机期货。波音飞机八个多月不能起飞，订单丢掉500多架，很严重的罚了他。你不能走碟片式，而是要走有效的结构，这点很重要。
好的电池配上好的结构，不仅仅让你安全，让你的寿命好起来，这是我们08年时候突破了这个磷酸电池。09年大电池拿到国际上的认证。这个也可以快速充电，这样的电池，电力部门非常感兴趣，这是EDF法国电力公司，08年拿到这样的电池他们认真做测试，这个电池到底有多长的寿命。接近两年测试，这个电池有超过6000次的寿命，6000次以后还有80%。高温下面，在45度的情况下，5000次还有50%多的容量。这个就意味着你找到合适的材料性，你采取合适的结构，你会做出安全长寿命的电池。
今天铁锂电池跟铅酸电池比，它的优势显现出来。不仅仅在寿命，在低温下面有更高的容量。温度的适应性很好，同时在大电流工作的情况下，也有更高的容量，这个就能够体现出这个问题。还有跟磷酸铁锂电池更长寿命的电池是钛酸锂做负极。拿这种稳定材料做负极，你可以看到大电流冲犯没有问题。这种电池寿命是在2万次以上，甚至更高。但是现在钛酸锂电池做普通储能遇到一个问题，它的寿命是几万次，价格比普通电池高一倍，市场部接受它作为能量型的储存，但是作为功率型的储存。
长寿命电池，为什么测不同的温度。电池寿命跟温度有关系，我们可以看到在全球平均温度地区，大部分地区平均温度还是比较高，适合人类居住地区平均温度都是比较高，本身企稳就在20多度，加上电池本身发热，很容易到40或50度。我们说要耐高温的电池，就变得很重要。
很多的储能体系，这是我在铅酸创新大会上讲的，他们希望我给他做一个对比，今天还有一些铅酸电池运在储能系统上。因为它的寿命比较短，刚开始它的付的钱很少，你如果要把寿命因素算进去，磷酸铁锂电池已经在某些应用产品优于铅酸。铅酸行业每年开创新大会，开了四届，刚开始他知道我是做锂电一定请我去，怕你到外面反对铅酸，你受教育。我去了三次，我去了做一个报告。作报告的结果就是今天所有铅酸厂全部投资做锂电。到了今年铅酸创新大会还是欢迎你来，但是不允许你作报告，只能主持一场会议，这是一个玩笑话，确实行业发展很明显。
有很多很多储能体系，我不细讲，保国教授有很好的叙述。我从效率上面来讲，电池还是最高的。我们可以看到像采用电池的储能，能量拿出来和储存进去的能量效率比大概是90%。这个就为什么国家张北分厂建了非常大的磷酸铁锂体系，运行好几年，运行非常好。刚开始建也是提心吊胆，现在几年下来证明效果很好。好多兆瓦级的储能项目，还有功利型的调解，调频和电能质量。既有高功率磷酸铁锂电池，这个公司已经被浙江万向集团收购了。对这种功率的调节，钛酸锂电池可以看到能够在20毫秒之内快速响应，所以说已经开始能够起到很好的作用。
大家都知道电动汽车发展很快，因为今天这个会是储能会，我还是要说一下将来的电动汽车跟储能的结合是越来越紧密，每个家庭都有电动汽车的时候，其实你的电动汽车的话就是你的储能，可以把低谷电储存起来，白天一部分拿来开车，多余的电可以用来回馈给电网。现在国际上像ABB都有专门的项目，跟美国一些公司、中国一些公司都有合作。
未来实际上是对于电动汽车来讲，它开车不仅仅是一个交通工具，也是一个储能，跟我们这个结合起来也是很有价值的事情。中国的电动汽车产业在快速的发展，你可以看到政府有很大的支持，经过运行之后到2015年到50万辆，我们目标到2020年的时候到500万辆。要实现这个目标，现在政府很大补贴，政府要取消补贴，靠电池技术的技术，不仅是寿命跟技术指标，还有它的价格，50%的下降，降到一半。就跟太阳能一样，正因为过去十几年努力，价格从每瓦30多块钱降到每瓦3块钱，还要往下降。锂电刚开始很高的价格，刚开始2块钱一瓦时，紧接着到一块钱1瓦时。
电动汽车产业链的发展支持电池，无疑也就会为储能带来机会。一个是电动汽车本身就是储能单元，第二就是这个电动汽车拿下来之后还能储能，二次利用，产业机会非常好。整个锂电产业从刚开始，80年代的863启动的时候，20多年，现在快30年走下来，一步一步走，从刚开始仿造，进口材料，到今天大部分材料国产化，我们主要一些材料成为重要的生产国和出口国，一步一步走下来。所以说从IT、3C电池到动力电池到储能电池，到现在中国已经站在一个比较好的位置。太阳能咱们已经站在很好的位置，同样储能的电池也站在一个很好的位置。
可以看到到2020年的时候，能量型的电池重要不仅仅是功率上升还有寿命上升，五千到一万次。在1块钱以内。这种情况下，我储存一度电，90%的效率只要1毛钱。这是电池技术的进步会带来的贡献。
后面我想简单讲一下，负极材料也是30年，有一些基准材料。往里加合金是97年提出来的。中科院也在广州建立工艺装备平台，大规模装备对全国的开放，而且生产型的装备，不是几米，是几十米，这个是为行业作贡献。同时在北京有一个专项，我们对它的分析，对这种从材料到电池，从表面到界面，热学分析，对全球开放。今天整个行业具备很好的发展条件，需求也很明确，所以锂电必然在储能方面发挥更大的作用。同时我们也在感觉无论是能量型的储存还是电能质量提升，他都会起作用。跟其他的储能一起，尽可能的减少火电站的建设的数量。我想减少每个利润，为环境质量作贡献。这个就是我的报告，谢谢。(能源新闻网)
