马福元博士：《储能应用模式及锂电池关键技术进展》

　　浙能技术研究院首席科学家马福元博士《储能应用模式及锂电池关键技术进展》演讲实录：
　　浙能技术研究院首席科学家马福元博士
　　很荣幸今天有这个机会跟大家介绍一下关于储能、锂电池的一些进展，下面是我的报告。大概分四个部分介绍。
　　01
　　“双碳”目标下的新型电力系统
　　双碳目标在我国能源变革具有重要意义，2020年的时候向全球宣布，我们要在2030年碳达峰，2060年碳中和。现在全球排放二氧化碳有300亿吨，我们国家占13约100亿吨左右，2030年左右我们国家大概预测在135亿吨左右，逐渐开始减少。总的来讲是按照三步来走，第一步是碳达峰，对我们来说发电端特别是火电厂还会略加一些。从2030年2040是从高碳到低碳，用煤开始逐渐减少，天然气发电会成为主力，2040年2060年是从低碳到零碳的变化，天然气也会减少甚至会没有。这个任务是很紧的，对于我们国家来说，目前还没有碳达峰，很多国家已经走在碳中和的路上，我们2030年到2060年只有30年的时间去碳中和，别的国家有60、70年时间去碳中和，所以我国的时间非常紧。
　　在双碳目标下，要建立以新能源为主体的新型的电力系统，在这个电力系统里主要以光伏和风电形式。它们有随机性、不稳定性，是需要储能跟它来配合，双碳目标下对储能是一个历史性的机遇，会大力发展。储能主要的体量还是以抽水蓄能为主，我们国家是把抽水蓄能之外的叫做新型储能，对新型储能也做了一定的规划，也就是说新型储能在这个期间要上多少量做了规划。
　　新型电力系统我们知道，目前传统的电力系统是以煤电火力发电为主，到了新能源的太阳能和风电，一会儿有一会儿没，说没就没，所以就需要储能支撑。储能以电为主的话，是可以支撑间歇性的。那么在新型电力系统中，等到电力系统建好，目前是源网荷系统，后面新型电力系统以后，储能是作为一个要素，形成源网荷储系统。
　　02
　　储能发展概况
　　在储能发展领域，储能分类是按照应用的形式和技术不同，主要是区分电储能和热储能，电的可以是物理形式也可以化学形式，很熟悉的物理形式比如说抽水蓄能和空气，电化学储能主要是以电池的形式锂离子电池，化学储能里还有氢储能，今天大概会在主要的在电化学储能中的锂离子储能讲一下。
　　在发展概况方面，大家也看到很多，目前主要的储能形式还是抽水蓄能，占到总体量90左右，全球是这样，我们国家也大概是这样。在10的其他储能形式里，又以电化学为主的占7。5左右，其他相对还比较少。
　　抽水储能之外其他形式都叫新型储能，抽水蓄能有很多的优点，规模大、寿命长，30年甚至50、60年没问题，甚至是100年都不会坏，目前成本是度电3毛多一点，但是要有山有水有落差，没有山的地方做不起来，没有水也做不起来，落差不够也做不了，所以是有资源要求的。原来抽水储能与国网统一，去年开始国网放开，能批的地方则批，能建的地方则建，近几年下来，应该会有很大的发展，这个体量会增加很大。
　　在储能形式里刚才讲，电化学储能占到78左右，这是目前储能里发展最快的储能形式。2012年左右，我们国家开始安装电化学储能，差不多是到去年达到年装机量5。7GWh，预测可能到2030年左右，达到跟抽水需能差不多的体量。
　　因为新建抽水蓄能有苛刻要求，而电化学储能相对很灵活，哪里想建就可以建。它有些特点是响应非常快，很精准的控制，用的范围很广，它目前的发展是很快的。发展快跟它的电池成本下降也有很大的关系，有这些特点，这几年电化学应用范围广、发展很快，需要储能来平衡新能源的送和发。
　　再有一个原因，最近几年锂离子电池随着我们国家的新能源的发展，成本下降的很快、很多，本来我是2020年底大概是7、8毛，现在因为锂电材料涨价升了一点，但是总的来看是要降的，再有是循环寿命增长，储能里的磷酸铁锂电池是12000次的，储能循环增加促使储能成本的降低。
　　03
　　储能应用模式
　　储能在源网荷系统里面有很大的应用，源侧比如说传统的火电厂有调频，也有单独独立的一次性调频，在风和光里面刚才讲是需要储能来配合进行发送，还有对微电网的支撑。源侧我们知道有调峰调频，荷侧主要是以峰谷差价在用。
　　刚才讲电化学储能是很灵活的，目前比如说像调频，现在靠煤机在调，也有燃机参与，用电化学储能形式性能都是好的，但是有一条是相对差的：成本高。目前来看比这三样都会高，我们的煤电是因为火电厂很多，新建一个煤电要调峰的话还是电化学储能划算。火电经常有偏差，如果配上电化学储能的话可以很精准的输出进行调接。
　　用户侧，像我们国家的电价体系跟现在的电池成本下，目前大概达到7毛左右的差价才有盈利，在这之上肯定是有优势的。电化学储能用户侧在国外已经开展的非常火热，主要是跟电价有关系，像德国以前2块钱，现在可能达到了8块钱，1欧元左右，做储能是非常好做的。我们国家在全球的电价相对是比较低的，可能是最低了，比埃及高一点，在这样的情况下，做储能相对来讲有一点点难度。
　　浙江开了一个特例，去年的10月15日开始，对工商业用户做了调整，峰谷11点到1点之间拉成谷电，以前只能做1充1放，投资回报比较长。假如做成2充2放的话，三年半左右可以回本，所以很多公司来问，很多公司已经做起来了。
　　对我们用户个人家里还没有这样用，目前已经做成类似于标准化。例如200柜子一个规则这样来做，200度电的柜子为例，1度电差价大概在9毛左右，两充两放的话大概是1。8元，一年算下来大概是11。5万的峰谷差。
　　这个柜子目前多少钱？200度电按照现在的市场成本大概是36万左右，面上看是三年收回投资，另外的经济成本由各种因素构成的，有的时候可能要四年、五年，这就看资金的来源、分成等等。明年预计储能在浙江会非常火的，现在看也是火的，但是没有预计的那么火，因为目前算下来要5年左右才能回本，有一些私企投资有些犹豫，如果三年回本的话，应该会有大量的钱来做这个事。
　　04
　　锂离子电池关键技术
　　接下来我介绍一下电化学储能产业链，它就是电芯BMSPCSEMS其他。那么这里面电芯占了很大一部分，随着材料的涨价现在占了70多，电池在储能里是一个很关键的，成本占最大的组成部分。电池技术的发展，给我们储能带来一个红利，储能市场以后会比新能源汽车还会大。
　　锂电池的种类有很多，现在主要还是以锂离子电池为主，固态还有一段时间要发展。锂电池原理大家都很熟悉的，电池四部分：正极材料、负极材料，电解液和隔膜。这些材料里有不同的很多类型，钴酸锂是手机上用的最多的，最大优势是体积能量密度很好，目前三元锂电重量能量密度已经超过钴酸锂，手机上还替代不进去，一旦三元锂体积能量密度也能超过钴酸锂的话，手机上也会用其他电池。磷酸铁锂，汽车上也用，储能上，国家规定只能用磷酸铁锂。
　　现在二轮车用锰酸锂，有磷酸铁锂，也有三元锂，甚至还有钴酸锂。三元材料里面有很多种品种，有的叫111，523，622，811主要是镍钴锰三种材料里面的含量不同。
　　假如正极材料是用这些材料，锂电池就以这个命名的。负极一般用的是什么？现在发展硅碳，另外一类电池碳酸锂，碳酸锂是负极材料，要以碳酸锂为负极材料的话，这个电池就会叫碳酸锂电池，它可以跟磷酸铁锂配，或者是三元来配，用碳酸锂就叫碳酸锂电池，简单的讲一下。
　　那么不同的电池有不同的性能，刚才讲磷酸铁锂性能比较适合做储能。电池整个产业结构目前主要还是以新能源结构为主，储能占里面的5左右的量。但是储能整体的增加会很快，预测到了2030年会达到TWh的量级，按照目前的趋势，有可能到2030年以后还会超过目前预测的量，现在上升的速度比预测的要快。
　　再来讲锂电里的三种工艺，目前市场用的最多的量是方形，圆柱第二，软包国外用的比较多，咱们国家比较少。我来简单介绍一下哪些公司用哪个，圆柱主要是特斯拉用的比较多一些，我们国家车里面基本上以方形为主，软包国外用的比较多。
　　在2020年的时候，特斯拉宣布了一个大圆柱4680电池。特斯拉宣布以后，我们做电池界的是比较有担心的。为什么？原来特斯拉用的是18650，有8000多颗电池，现在目前很多车里用的是21700，到了4680以后，它体积更大，容量更大，电池的颗数大大降低，成本下降。
　　再有，4680电池里面采用了“无极耳”或者叫“全极耳”这么一个结构，整个是一个推层平面然后把它焊接上去，当初我们国家这个技术还做不太出来，比较担心，电池界有一个说法：谁做出来4680来谁得天下，它用4680以后达到1000公里。我们国家到今年4680其实还没有真正做出来，特斯拉已经开始用了。
　　因为4680一个很难的地方是焊接技术，这个地方焊接很难，4680大圆柱电池集流盘的焊接为入壳之后，对熔深可控性要求极高，对焊接飞溅容忍度几乎为零，全极耳或者无极耳结构经常会做，我们那个时候打火花，锂电池里面就不行，火花有一点点的话不能有，现在几家公司在那里做。我们国家做的相对比较好的是亿纬，快要出来了，可能明年会有产品，比克、力神、蜂巢等也在开发4680。
　　现在宁德时代做出来了麒麟电池，也可以开1000公里的，按照目前电池水平的材料水平用能结构变化的话，就可以做出开1000公里的车，我们现在标准的是400、500公里。宁德比较早的时候推CTP技术，做模组技术，电芯出来是一个模组，麒麟就是CTP的3。0，当初的升级版，原来的CTP里面是有水冷板在底下，车里都是这样，特斯拉，老早底下是水冷板，中间隔热板，然后中间有支架，这样构成了这样一个pack。
　　麒麟电池是它的CTP3。0把三个整合成一样，把水冷板不用了，中间就是一个隔热板，起水冷的作用。这个又有一个支撑的作用，这里用了一个多功能的夹层，当初电池出来，我说这种材料很重要的，开始找不着，麒麟电池板在吉利的捷克车上用了，就可以开1000公里的。
　　比亚迪也在比较早的时候就推出了刀片电池，是一个很长的电芯，设计的时候专利有写2米多，现在大概是1米，它设计是1。3米，实际做成960mm左右，这个在特斯拉里是比较标准的可以做出来的，其他做电池的厂家可以做不同的刀片，做长的不容易，这个压要很均匀，很难，是这么横切过来，要以这么长的滚压机过来。
　　特斯拉里很多车卖的比较好，也可以开1000公里。讲到4680有一个全极耳结构，再就是可以用硅，硅碳负极已经用进去了，再加有一个单电极技术，因为当初特斯拉收购（英文），现在好象是卖掉了，掌握的应该是干电池技术，它的CTC是怎么样？特斯拉一直强调它的车电一体化，把CTP做一个（英文），CTC就做一辆车，电池和车一起出来的，以后的车和电池，这边线是电子，这边的部件是车，出来就是一个电动汽车，这个就是CTC，这是一个很很厉害的技术。
　　特斯拉：4680全极耳高镍高硅干电极CTC续航长、充电快、成本低
　　圆柱比方形更适配高镍：核心原因是方形高镍为面接触，且单体电池大，体心内产热不易释放，热失控设计不好控制；另一方面，铁锂化学性质稳定，对散热和热失控要求较三元低，因此方形CTP非常契合铁锂体系的电池，充分发挥方形集成度高的优势，但方型有热失控设计难度高的短板。4680铁锂在乘用车上失去了优势，可能未来在二轮车、电动工具上有应用。
　　加硅负极圆柱有优势：由于负极添加硅后会膨胀，圆柱比方形内部应力分散更均匀，方形在此方案下容易造成颗粒破碎，影响性能和寿命。因此，大圆柱为极致提升电芯能量密度选择高硅方案搭配高镍。
　　大圆柱铁锂在乘用车上不具备优势：4680铁锂在乘用车上失去了优势，可能未来在二轮车、电动工具上有应用。
　　高镍高硅4680CTCvs铁系方形CTP
　　CTP是电芯厂向整车厂夺回pack的产值，CTC是整车厂向电芯厂抢话语权的手段；特斯拉自制电池，除了掌握CTC技术，还有向外采供应商压价的作用；因此，未来特斯拉的电池供应格局预计会出现：1）中低端：外采铁系方形CTP；2）高端：自供部分电池厂外供高镍高硅4680CTC。
　　刚才介绍了麒麟、刀片，哪个好？都可以开1000公里，车电一体化可以做吗？宁德它的麒麟是CTP，比亚迪刚才说的刀片可以吗？也可以，说是CTP，不仅仅是底盘，可以把整个发电厂都可以设计成电池，都是车电一体化，趋势是一样的。目前看各有各的优势，比如说刀片，以后假如说用硅碳的话是有一定的难度的，因为比较窄，刀片和电芯之间比较窄，要有一定的膨胀，对于它来说不才好。
　　大圆柱、麒麟、刀片电池谁更胜一筹？目前来看这三个是差不多的，可以说是三足鼎立的状态，要在实际使用中衡量。
　　国内储能电池主要应用于大型储能（电力系统储能）、通信系统储能、家庭储能和便携式储能。大型储能是储能电池的主要应用场景，主要用于发电侧、电网侧及用户侧的储能集装系统，出货量占比达到61，其次是通信系统储能，主要用于通信基站备电，占比达到25，家庭储能产品占比11，便携式储能占比最少，仅3。家庭储能和便携式储能主要出口国外。
　　小电芯或将成为户储主流，100Ah以下小容量电池在户用家储领域仍有较长的应用生命周期。
　　在储能应用中，280Ah及以上的大容量电芯能够有效降低储能系统成本，并降低集成难度，优势明显，正逐步在电力储能场景替代原有的50Ah和100Ah电芯产品。
　　电力储能大电芯发展趋势明显。需求侧，大型电力储能设施的业主和投资者对280Ah大电芯的关注度快速上升，华能、中国能建等业主方在其最新储能电池招标中均要求单体容量不低于280Ah。供给侧，自2019年宁德时代推出280Ah电芯以来，国内已超过10家电芯企业推出280Ah电池产品；海辰、中创新航等电芯厂商均加码扩产280Ah电芯。
　　敬请关注电化学储能公众号，后续将会陆续刊发嘉宾的具体演讲内容（因疫情防控需要，大会第二日议程需改期转为线上进行，后续将提前通知参会嘉宾）。
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