鋰離子電池的發(fā)展及影響其安全性和可靠性的因素

我國(guó)的鋰離子電池生產(chǎn)量力正在迅速上升，但規(guī)模的擴(kuò)大使得確保鋰離子電池的安全和質(zhì)量變得非常重要，尤其是在多起電池起火和韓國(guó)市場(chǎng)停滯之后。清潔能源協(xié)會(huì)(CEA)公布了其2019年BESS供應(yīng)商市場(chǎng)情報(bào)項(xiàng)目報(bào)告，該報(bào)告涵蓋了40家供應(yīng)商，旨在幫助買家了解供應(yīng)商的情況。以下是影響鋰離子安全性和可靠性的一些因素。

韓國(guó)電池裝置發(fā)生的一系列火災(zāi)引發(fā)了全球能源存儲(chǔ)行業(yè)投資者的擔(dān)憂，并促使人們重新關(guān)注安全與質(zhì)量。照片:比亞迪

自2010年以來，鋰離子電池價(jià)格下跌了約85%。據(jù)CEA預(yù)測(cè)，到2030年，全球?qū)︿囯x子電池的需求將超過每年2000千兆瓦時(shí)。盡管大部分需求預(yù)計(jì)將來自電動(dòng)汽車，但其中5%至10%將來自固定電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(BESS)。而其他儲(chǔ)能技術(shù)更適合長(zhǎng)期使用和低成本將在可再生能源的更高層次滲透,鋰離子似乎暫時(shí)領(lǐng)先技術(shù),因?yàn)槠洳捎玫拇笠?guī)模效益電動(dòng)汽車行業(yè),允許低成本、標(biāo)準(zhǔn)化。

與此同時(shí)，人們重新開始關(guān)注質(zhì)量和安全，不再依賴資產(chǎn)負(fù)債表?yè)?dān)保和少數(shù)供應(yīng)商。從上游的廠電池質(zhì)量控制到更全面的盡職調(diào)查，如系統(tǒng)設(shè)計(jì)和防火，正成為電池公司和監(jiān)管機(jī)構(gòu)的原則問題。

幾個(gè)鋰離子電池

鋰離子電化學(xué)有許多變體(LMO、LTO、LCO、NCA、NCM、LFP)，但只有鎳鈷錳(NCM)、鎳鈷鋁(NCA，僅松下和特斯拉使用)和磷酸鐵鋰(LFP)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

電池的類型在某種程度上取決于地區(qū)。關(guān)于韓國(guó)供應(yīng)商來說，鎳鈷錳(NCM)是BESS的重要選擇，到2019年底，其年生產(chǎn)量力預(yù)計(jì)將達(dá)到54GWh。在北美，特斯拉的Gigafactory1年生產(chǎn)量力為34GWh的松下NCA21700圓柱形電池，重要用于特斯拉的電動(dòng)汽車產(chǎn)品。

我國(guó)供應(yīng)商擁有強(qiáng)大的鎳鈷錳(NCM)和磷酸鐵鋰(LFP)電池的制造能力，甚至包括一些鎳鈷鋁(NCA)，而且生產(chǎn)線可以相對(duì)容易地在化學(xué)品之間切換。LFP的化學(xué)性質(zhì)決定了它的安全性，降低了熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。然而，由于能源密度是擴(kuò)大電動(dòng)汽車使用的最重要因素，我國(guó)已轉(zhuǎn)向更高能源密度的鎳鈷錳(NCM)電池。即便如此，出于安全考慮，LFP電池在某些運(yùn)輸領(lǐng)域是強(qiáng)制性的。

目前，LFP仍然是BESS供應(yīng)商在我國(guó)的重要選擇之一。一些公司供應(yīng)的LFP細(xì)胞比NCM細(xì)胞具有更長(zhǎng)的生命周期。更重要的是，LFP電池不含鈷，有一個(gè)內(nèi)在的更穩(wěn)定的成本路線圖。鈷供應(yīng)鏈不穩(wěn)定重要是因?yàn)槭澜缟?0%的供應(yīng)來自剛果民主共和國(guó),一個(gè)關(guān)鍵因素在最近價(jià)格的上漲鎳鈷錳電池(不合格品),和我國(guó)供應(yīng)商非常不愿意供應(yīng)大貝絲,因?yàn)樗略隽舜笮拖到y(tǒng)的熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)于LFP來說，它的缺點(diǎn)是能量密度較低，但是它的優(yōu)點(diǎn)是更穩(wěn)定，更低的原材料成本，更高的循環(huán)壽命，更低的熱失控風(fēng)險(xiǎn)，這使得它在能源存儲(chǔ)中占有一席之地?？梢灶A(yù)見，我國(guó)將對(duì)磷酸鐵鋰離子電池嚴(yán)格執(zhí)行LFP，而韓國(guó)將嚴(yán)格執(zhí)行NCM鋰離子電池。

此外，由于鈦酸鋰離子電池僅適用于高充放電率、高循環(huán)等特殊應(yīng)用，因此被認(rèn)為是替代品，但目前還沒有得到廣泛的應(yīng)用。很多業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，鈦酸鋰非常適合特種行業(yè)，因?yàn)樘胤N行業(yè)對(duì)電池穩(wěn)定性要求很高。

安全和質(zhì)量

今年早些時(shí)候，韓國(guó)報(bào)道了23起蓄能電站火災(zāi)，起因是該國(guó)急于安裝大規(guī)模蓄能設(shè)施。貿(mào)易、工業(yè)和能源部(MOTIE)對(duì)新安裝的設(shè)備隨意施加限制，并嚴(yán)重限制現(xiàn)有設(shè)備的操作條件。莫蒂隨后進(jìn)行了6個(gè)月的調(diào)查，并于六月公布了調(diào)查結(jié)果。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)的可能原因包括保護(hù)措施不足、監(jiān)管不力

鋰離子電池雖然為人類擺脫石油燃料做出了巨大貢獻(xiàn)，但在應(yīng)用中也逐漸暴露出其弊端。目前，電池技術(shù)瓶頸是制約其發(fā)展的重要原因，在能量密度、溫度特性、使用壽命等方面都難以突破。鋰離子電池作為清潔能源的重要組成部分，近年來被越來越多的行業(yè)所使用。隨著鋰離子電池需求的新增，后續(xù)出現(xiàn)的大量廢舊電池將對(duì)生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)嚴(yán)重影響，環(huán)保短板要盡快填補(bǔ)。

IBM最近宣布，它正在開發(fā)一種新的電池概念，它比鋰離子電池更適合人類和環(huán)境。這種新電池的研發(fā)不依賴于重金屬。IBM表示，這種新材料將與電解質(zhì)一起工作，以限制短路條件，使其更安全地生產(chǎn)和使用，并供應(yīng)一種更清潔、更高效、更安全的鋰離子電池替代品。

IBM的新電池技術(shù)基于從海水中提取的三種未公開的材料，以取代昂貴且污染嚴(yán)重的重金屬鈷、錳和鎳。該技術(shù)具有充電速度快、功率密度大、能量密度高、可燃性低等特點(diǎn)。5分鐘內(nèi)充電率可達(dá)80%，不影響放電容量。它的功率密度高達(dá)每升1萬瓦，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋰離子電池技術(shù)，每升的能量密度超過800瓦時(shí)，與現(xiàn)代的鋰離子電池相差無幾。由于易燃性能低，可廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、電動(dòng)汽車、卡車和智能電網(wǎng)中。

IBM負(fù)責(zé)研究的副總裁Jeffwelzer說:我們確實(shí)計(jì)劃在一年左右的時(shí)間里制造出第一個(gè)工作原型，但是這個(gè)設(shè)計(jì)最終能否成功還不清楚。

IBM與梅賽德斯-奔馳(mercedes-benz)的研究部門、電池電解質(zhì)供應(yīng)商CentralGlass和電池制造商Sidus合作，對(duì)新的設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行商業(yè)開發(fā)。