电池储能技术四个方面的问题与发展建议

中国科学院电工研究所储能技术研究组组长、研究员陈永翀在会议期间分享了主旨报告《电池储能技术问题与发展建议》，以下是他的发言原文：

我很高兴有这样的机会和大家探讨四个方面的问题。一，储能电池技术应用场景的多元化；二，电池类型多元化；三，技术内涵多元化；四，发展目标的多元化。

我们先看大致的产业发展背景。首先，2017年是中国发展储能的共识之年，在这之前关于要不要发展储能存在很多争议。2017年《关于促进储能技术与产业发展的指导意见》出台是一个标志，标志着中国储能春天的来临，2018年全球以及中国的储能项目迅速发展。其次，发展储能的核心是促进可再生能源消纳，在最近5年光伏风电发电成本快速下降，以及由于新能源汽车带动动力电池的成本下降，使得储能在原来一些缺乏竞争力的领域开始具备竞争力，储能的多重价值逐渐被体现。第三，储能春天已经来临，春天是萌芽、开花的季节，但是储能蓬勃发展的夏季还没有到来。现在各类储能技术，包括物理储能、电化学储能、化学储能和储热蓄冷已经纷纷开展示范和商业应用，在应用中展现了储能的优势，同时也发现了不少问题。尤其是电化学储能技术，应该说距离“低成本、长寿命、高安全、易回收”的总体目标还有相当的差距，有待技术创新和突破。

储能有六大应用场景，可再生能源并网，电网辅助服务，电网输配，分布式及微网，用户侧，以及一个非常特殊的用户侧：电动汽车VEG模式的供能系统。储能应用场景很多，大致可以分类储能的三大作用：第一，平滑间歇性电源功率波动，这样的场景需要功率型储能技术；第二，减小峰谷差，提高电力系统效率和设备利用率，这种场景下大部分需要容量型储能技术；第三，增加备用容量，提高电网安全稳定性和供电质量，这个需要的是UPS备用型的储能技术。当然还有第四类复合型的应用，尤其是电网侧应用，参与调峰调频和紧急备用，我们称它为复合型或者是能量型的储能技术。所以说，储能的应用场景是多元的。

因此，我们可以从应用要求反推储能电池的类型也可以分为四大类：容量型储能电池，功率型储能电池，能量型储能电池，以及备用型储能电池。根据电池使用的功率容量比值做一个区别，有利于我们发展不同类型的储能电池技术。尤其是备用型储能电池。目前来看动力电池的梯级利用从大到小是完全可能的，但是从小到大还是面临非常大的难度，它的一致性、安全性问题，以及成本面临非常大的挑战。但是，将动力电池梯级利用在一些备用型的储能场景还是有可能的。所谓备用型储能，可能一年的充放电次数也就那么几次，而不是每天都要进行充放电。

我们经常会谈到储能技术，尤其是储能电池技术。那么，到底什么是储能电池技术，它的技术内涵是什么？我总结了一下，储能电池技术应该包括六大内涵。

第一是材料技术，这是基础。但是对于储能电池来说，我特别想强调材料性能，尤其实验室研究的材料性能，跟实际的到未来做成大电池、进行储能应用的电池性能相差还是非常大的，所以千万不能把实验室材料性能等同于储能电池的性能，更不能等同于储能电池系统的性能。

第二是结构技术。相对消费类小电池来说，储能场景要求大功率、大容量。因此，未来储能电池的研发要充分考虑电池的内部结构和外部结构的融合设计，通过一些内部结构的创新发展减轻外部系统面临的成本和安全性的压力，这是未来储能电池结构技术研究的重要方向。希望我们的储能电池能够由“娇小富贵”变成结实耐用的“傻大笨粗”，以满足电力系统的实际场景需求。

第三，制造技术。尤其是锂离子电池，它的制造技术来源于以前的磁带技术，采用粘接薄膜电解结构，需要高精度的、非常复杂的、几百道的制造工序。未来如果想降低制造成本，还需要结合电池的结构技术创新，让整个制造环节变得简单，不要往复杂化方向发展。

第四应用技术。储能电池应用技术就是电力系统经常提到的、狭义上的电池储能技术，包括系统集成技术，BMS，PCS与EMS。应用技术非常重要，需要针对不同的应用场景开发相应的应用技术，积累应用数据，发现应用问题，评估应用经济。未来应该会出现以应用技术开发为核心的独立的储能电池系统应用服务商，负责储能系统的设计规划、租赁运维和报废回收，并与保险公司合作，承诺负责系统的使用寿命和运行安全。

第五再生技术。我们的消费类电池，寿命有三到五年就可以了，因为三到五年我们手机也要更换，电池寿命再长也没有多大意义。但是，电力系统对于电池储能系统要求十年甚至二十年以上的寿命要求，而十年对于我们电池来说几乎是现有技术的一个天花板。因此未来储能系统运行过程中，可能还需要开发新型的电池再生技术，延长储能电池的应用使用寿命。当电池使用一段时间后，可以通过正负极材料表面SEI膜原位修复、电解液的补充和更换等方式对电池性能进行再“激活”，延长储能锂电池的实际日历使用寿命。例如，锂浆料电池的浆料厚电极形态赋予了其在使用期进行在线再生的可能性。

最后一个，回收技术，这点非常重要。包括废旧电池的更换处理技术、安全运输技术、回收处理技术和资源再利用技术。锂电池的回收流程和技术还不成熟，需要与材料技术和结构技术相结合，发展方便回收再生的新型储能电池技术，在产品设计方面加以创新改进，从生产端提前考虑电池回收处理的环节，以实现储能锂电池产业的资源可持续发展，这一点具有重要的战略意义。这两天协会正在带着世行专家去考察现有的电池回收情况。包括更换处理、安全运输、报废回收以及资源再利用。我们知道报废电池的危险性比新电池的危险性高，电池报废以后怎么运回基地，有没有可能开发创新的技术?在电池报废前进行安全处理，使它绝对不可能燃烧爆炸，这是储能电池面临的新课题。

所以说储能电池的技术内涵非常丰富，这六大技术内涵需要我们从各个方面进行突破，而不仅仅是材料技术的突破。

行业痛点问题。储能电池的四大综合问题：成本高、寿命短、安全差、回收难。对于锂离子电池来说，它是一个粘接涂布薄膜电极结构以及内部极片并联后极耳引出的核心设计思路，所以给电池单体以及电池系统的一致性设计带来根本性的难题。昨天我们到科华，科华的陈总说纳米颗粒材料在电池中的应用需要纳米级的机械控制和电力控制，这个很有道理。这就要求现有的电池制造控制精度非常高。为什么？因为它的电极层厚度只有很薄的100多微米，里面包含纳米微米级的颗粒，所以要求高精度的控制，这样使得电池制造成本的降低有相当大的难度。因此需要创新技术，例如，开发容量型超厚电极技术，以降低对制造精密度的绝对要求，降低储能电池的制造成本。

因此我们说储能电池的发展，已经从当初对消费类电池的高能量密度的首要要求，逐步转变为对低成本的核心要求。电池在手机中的使用是刚需，手机离不开电池，因此电池便宜也好，贵也好，必须要用电池。但是，储能电池如果太贵的话电力系统可以不用，甚至可以用非储能的手段解决一些储能面临的问题。所以“低成本”成为我们储能电池发展的首要目标。

发展目标我大致解释一下。狭义的储能电池成本仅包括一次（采购）成本，广义的储能电池成本还包括二次（运维）成本和三次（回收）成本。其中，一次成本包括电池的材料成本和生产制造成本。在材料成本下降空间有限的情况下，通过电池结构技术的颠覆设计，简化电池生产工艺，降低制造成本和人力成本，将会是新型储能电池重要的降成本方向。二次成本与电池使用寿命息息相关。需要结合材料技术和结构技术，发展新型修复再生技术，提升电池使用寿命，降低容量型电池的度电成本和功率型电池的频次成本。三次成本主要指电池的回收成本。目前储能电池的回收再生环节若要做到完全符合环保标准的要求，成本还是非常高的，需要有创新的电池设计思路和回收再生思路，降低电池的三次成本。

现在储能电池成本相对较高，因此可以首先应用在一些互补的场景，在未来，随着成本的下降，再逐渐往竞争的场景应用。

第二个长寿命，电池循环次数寿命是日历使用寿命的基础，但并不等同于电池的实际日历使用寿命。目前，还缺乏合适的加速老化实验标准能够对应电池实际的日历衰减变化。未来除了需要建立相关测试标准以外，还需要开发创新的在线修复再生技术，提升储能电池的日历使用寿命，满足实际储能的工况要求。如果实验室测试电池循环寿命是3650次，即使一天一充一放，一年365天共365次，十年刚好3650次，我们也不能说该电池就具备十年的日历使用寿命。因为电池是一个高度非平衡的化学体系，既使是不充放电，放在某个地方，它的性能也是在衰减的，这点很重要。所以未来要开发再生技术，原因在这里。而且，应用发展方向会由现在的被动更换到以后的主动运维，我们需要主动运维。我们的抽水蓄能电站一年运维费差不多七千万元到八千万元，为什么电化学储能系统就不需要运维？这是不可能的。

第三个是目标是高安全。储能电池的安全性非常重要。相对而言，水系电池如液流电池、铅酸电池等安全性较好，能够满足储能电站的安全性要求，但也需要严格控制电池的充电截止电压，以防止水溶液过压电解后的析氢爆炸；有机系锂离子电池的安全性问题较为突出，目前总体而言处于安全及格线60分上下的水平，有待技术突破；固态电池不含易燃的电解液，因此具有最高的安全性，在未来实现量产后有可能会首先应用到高安全要求的某些特殊场景。但是，固态电池要规模应用于电力储能，在降本增寿和系统一致性方面还有相当的困难需要克服。另外，固态电池的回收处理也是一大难题。

避免电池（内部或外部）短路的安全预防技术以及在电池短路发生后的应急维护技术是储能电池安全技术发展的重要方向。仅仅通过外部灭火装置进行储能锂电池的安全保护，是远远不够的，未来必须开发颠覆性的电池结构技术和安全维护技术，从电池内部彻底解决电池的安全问题，确保储能电池的安全运输和储能电站的安全运行。

第四个目标，易回收。资源的循环再生利用将是储能电池未来规模应用面临的最大挑战。储能电池要达到易回收的目标有三点基本要求：1、电池回收过程符合安全和环保标准；2、稀有贵金属元素做到接近100%的再生利用；3、电池有一定回收残值。

现在示范应用的储能锂电池系统基本上没有考虑到未来电池报废后的回收处理环节。更为严重的是，目前电池界广泛存在一种错误的观念，认为报废锂电池富含各类有价值的贵金属，因此根本不用担心回收处理的问题。

实际情况是，报废电池的“价值”与“环保”之间存在较为严重的冲突和矛盾，现有储能锂电池的材料体系选择和电池结构设计，使得完全符合环保要求的有价值的回收处理工作非常困难。可再生能源的发展需要可再生储能的支撑，如果储能电池材料资源不能得到很好的循环利用，比如目前电池的锂元素只有70%多得以回收利用。目前若要达到90%以上的回收率，技术上完全可以做到，但是成本上根本接受不了。现在只是把有利可图的元素提炼出来，其它不好处理的再进行报废填埋。未来若要争取90%以上的材料回收，必须开发易回收的新型的储能电池结构技术和回收技术。

我们现有的示范和商业应用产业当然是基于现有相对成熟的技术产品，比如磷酸铁锂电池，现在已逐步应用于电网侧和用户侧的储能电站建设。但基于上述发展目标的差距，未来我们还需要发展新的储能电池技术，需要彻底脱离小型电池的结构设计思路，开发颠覆性的大型储能电池技术，例如，适用于容量型储能的浆料电池技术，适用于功率型储能的高压电池技术，以及其它技术方向。百花齐放，百家争鸣。下面我简单地介绍一下我们的工作。

锂浆料电池，电池的全部或部分电极是由浆料态的储锂活性物质、导电剂和电解液构成。锂浆料电池（Lithium Slurry Battery）的技术名称是由我们团队在2015年发明专利中第一次正式提出，但最初的研发工作在8年以前就开始了。与传统锂离子电池的固定粘结电极不同，锂浆料电池具有超厚浆料电极和可维护再生的两大显著的技术特征。

超厚浆料电极：浆料态的电极厚度可以达到毫米级的超级厚度，是普通锂离子电池涂布粘接电极厚度的10倍以上，绝对精度控制更容易，电池制造成本降低，单个电极片容量大幅提升，更适合提供大容量的储能电力输出；非粘结状态电极不存在松动脱落问题，动态使用寿命长。

可维护再生：当电池使用一段时间性能下降后，通过换液再生技术修复电池内部界面，重新提升电池活力，延长日历使用寿命；电池报废后，非粘结态电极易于回收处理，实现90%以上材料的低成本循环再生利用。

目前锂浆料电池已经在光伏储能系统和低速电动车里开展示范应用。这是第三方的安全测试，这是专利，我们已经申请90多项发明专利，在国际上有独立自主的技术卡法路线。这是我们的中试基地，一共1400平米，已经开发了第一代中试产品，目前正在开发第二代，预计下半年可以开始放大生产线的建设。

储能的应用场景多元。因此没有任何一种技术能把所有的储能问题解决。锂浆料电池是典型的容量型电池，不适合在高倍率下运用，所以高功率储能场景需要其他一些新的技术开发好应用，比如高电压电池。

总结，第一，以需求为导向，要根据不同应用领域的实际需求发展相适应的储能技术，低成本、长寿命、高安全、易回收是储能电池技术发展的总体目标。第二，未来需要创新，而且不仅仅是材料创新，还包括结构技术、制造技术、修复技术、回收技术，以及应用技术的创新，有很多的研发工作要做。第三，尽管有各种各样的新型技术在实验室出现，在实际应用中，最近五年，针对不同储能应用场景进行创新结构设计的专门的大容量，大功率的储能锂电池将得到最广泛的应用。储能从促进可再生能源消纳到降低可再生能源利用成本，任重道远，还有很长的路要走。