您好,欢迎来到储界网,全球中文储能门户!主办单位:江苏省储能行业协会
先进电化学储能电池大PK(上)——储能系列4
作者: 来源:本末电碳 发布时间:2023-03-08 10:43:09 阅读次数:3918
      一、先进电化学储能电池PK表——一目了然解决对比问题二、先进电化学储能电池简要分析——主要包含Part1: 锂离子电池Lithium-ion battery;半固态/固态电池Solid-state Battery;钠离子电池Sodium-ion battery;钠硫电池sodium–sulfur battery。Part2: 全钒液流电池 Vanadium redox battery,锌溴液流电池 Zinc–bromine battery;铅酸电池lead–acid battery,铅碳电池Lead Carbon Battery。三、总结

上一篇我们讲到了锂资源可能不够用的问题,动力电池的发展也许不会像现在想得那么一帆风顺,于是人们也在思考别的替代方案,如其他化学电池,燃料电池等等,今天我们就来梳理一下先进电化学储能电池,本文不会涉及什么技术原理,如正极,负极,电解液,隔膜以及各种金属添加材料,工作原理等,主要还是关注其发展现状和技术特点,着重于应用前景。

一、先进电化学储能电池PK表

点击可查看大图

二、先进电化学储能电池简要分析

1、锂离子电池

锂电池的研究开始于20世纪50年代,在70年代实现了军用与民用。锂金属二次电池研究于80年代推出市场,1991年索尼公司推出了第一块商业化的锂离子电池。在众多电化学储能技术路线中,锂离子电池已经建立了较为健全的产业链。大家比较熟悉的锂电池名字主要是磷酸铁锂和三元锂,它们都是正极材料的名字,而且在性能、循环次数、安全性等方面综合优势相对于钴酸锂、锰酸锂较大,因此应用范围也更广。在动力电池中,三元电池由于较高的能量密度受到青睐,但成本高。循环寿命短,低安全性使得大家也在考虑磷酸铁锂电池替代,比如比亚迪的刀片电池就是磷酸铁锂电池产品。同时,由于在储能领域中,更注重成本、安全性、使用寿命等因素,因此磷酸铁锂在储能的应用更广泛。下图为三元锂电池和磷酸铁锂电池的对比。

2、半固态/固态电池

不论是磷酸铁锂和三元锂电池,都是有安全风险的,只是大小不同。同时,人们对于电池能量密度的追求是无止境的,那在安全和能量密度方面有没有更好的替代品呢,让我们来看看传说中的固态电池吧。固态电池研发已经经历了40年的历史,可以分为三类——液体电解质质量百分比<10%的半固态(Half solid)、液体电解质质量百分比<5%的准固态/类固态(Nearly solid)、以及不含有任何液体电解质的全固态(All Solid)。现在通常我们所谓的(全)固态电池,是相对于现在的液态电解质锂电池而言的,使用固态正负极材料和固态电解质的电池。工作原理上,固态锂电池和传统的锂电池并无区别。相较于锂离子电池,固态电池的优点有以下三个方面:

能量密度高:与传统液态锂电池相比,得益于更高的电化学窗口,可以匹配高能正极材料和金属锂负极,固态电池的理论能量密度更高。

安全性能高:液态电池的安全隐患主要归因于液态电解质,固态电池以固态电解质替换,热稳定性更强,大大降低了自燃、爆炸的风险。

电池重量低:固态电池不需要电解液和隔膜,可简化封装、冷却系统等,整体电池包的重量和体积得以缩减,提升续航能力。

中国锂电行业发展 德勤观察2.0“电池风云”

但目前来看,固态电池发展并不顺利,预计到2030年才有可能量产,技术不确定性较大,这就给折中产品半固态电池带来了发展契机。

半固态电池:

液态电解液被看作电池起火自燃的罪魁祸首,而半固态电池中的液态物质大幅减少,当电池发生损坏、被穿刺时,或在一定程度上减轻自燃或者产生爆炸等情况,提升安全性。半固态电池相对于全固态电池,虽然是个过渡状态的产品,对于安全性的提升也是很大的,且综合考虑时间和成本,优势也是明显的。

从制造层面来说,以卫蓝新能源的半固态电池为例,其制造工艺流程和装备与目前锂电池的90%以上通用。当然,关键的工艺环节,比如混料、注液和原位固态化等环节,操作方式和现在的锂电池不一样,成本会增加很多。但是,这个成本是远远低于全固态电池的。

从下图中的固态电池发展路线可以看出,目前半固态电池还处于大规模生产的前期,虽然是过渡产品,但综合来说也是目前最好的解决方案了。

德勤:《中国锂电行业发展德勤观察2.0“电池风云”》P21

未来固态电池的技术发展和应用趋势将会是一个“梯次渗透”的过程。固态电池技术和核心在于电解质的革新,最终目标是实现电解质的全固态化;但随着电池能量密度需求的不断上升,技术难题也不断增大,而混合固液电池则可以作为全固态电池重要的过渡技术,在技术革新的过程中逐步减少对液态电解质的应用,从液态逐步实现到半固态、准固态,最终实现全固态的目标。

3、钠离子电池钠离子电池也是电化学电池的一种,与锂离子电池原理相同。钠离子电池最早由ARMAND团队于20世纪80年代提出,在90年代经过产业化推广得到技术应用。钠离子电池产业链结构与锂电类似,但产业布局还处于初级阶段,项目处于示范应用阶段。与锂离子电池相比,钠离子电池原材料丰富,且成本降低约20%,但电池能量密度较低,产业链配套尚不完善,因此发展趋势主要集中在能量密度提升以及通过产业链建设降低成本两个方面。

钠离子电池工作原理

下图可以看到钠离子与锂离子电池的对比,需要补充的一点是锂离子电池可正常工作的温度区间为0~40℃,钠离子电池为-40℃到80℃,耐热耐冷性能好于锂离子电池。

    钠离子电池在资源丰富度和成本上具备显著优势,但因其化学体系在能量密度上的局限,在乘用车动力电池领域目前难以撼动锂电池的地位,可在低能量密度要求或中低端场景替代锂电池,预计未来率先在储能、低速车等场景实现规模化商业应用。

4、钠硫电池

     钠硫电池由美国福特公司在1966年首先发明,初衷是用于电动汽车。但在20世纪70年代末,由于钠硫电池需要的运行温度较高,在当时难以解决安全性和可靠性问题;而且镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池等常温电池相继发明,取代了钠硫电池成为主流技术,使得其时作为车用电池定位的钠硫电池在大部分国家的研发出现停滞。钠硫电池中超过总质量99%的电池材料可以回收再利用,钠硫电池采用全密封结构,电池工作和待机过程中零排放,对环境友好,只有金属钠需要作为有害物质处理。钠硫电池通过保温箱高温运行,具有很强的环境适应性,适应的环境温度范围通常为-40~60 ℃。下图为钠硫电池的结构和工作原理。

钠硫电池的结构和工作原理示意图

钠硫电池的工作温度控制在300~350 ℃,此时钠与硫均呈液态,电池具有快速的充放电反应动力学。钠硫电池拥有的脉冲功率可达连续工作的六倍(脉冲时间可达30秒),这种特性使钠硫电池可同时用于提高电力质量和调峰,具有很好的经济性。由于工作温度很高,钠硫电池主要缺点是需要热源,使用电池自身存储的热量来维持系统温度,从而降低了电池的部分性能,温度过高也是大家担心其安全性的主要原因之一。

免责声明:
1、本网转载自合作媒体、机构或其他网站的信息,转载此文出于传递更多信息之目的,并不意味着赞同其观点或证实其内容的真实性。本网所有信息仅供参考,不做交易和服务的根据。
2、本网内容如有侵权或其它问题请及时告之,如因作品内容、版权以及引用的图片(或配图)、内容涉及版权问题,可联系我们直接删除处理(请在30日内进行)。
3、凡以任何方式登录本网站或直接、间接使用本网站资料者,视为自愿接受本网站声明的约束。
4、以上网站相关事宜可联系:13851427128 邮箱:xuhuan@jsesa.com.cn
©储界网 Chu Jie Wang 版权所有  苏ICP备2021053254号-1         投稿邮箱:xuhuan@jsesa.com.cn