中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：5月24～26日，由工業(yè)和信息化部節(jié)能與綜合利用司與國(guó)家能源局能源節(jié)約和科技裝備司聯(lián)合指導(dǎo)，中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)主辦并聯(lián)合240余家機(jī)構(gòu)共同支持的第十三屆中國(guó)國(guó)際儲(chǔ)能大會(huì)在杭州召開(kāi)。
來(lái)自行業(yè)主管機(jī)構(gòu)、國(guó)內(nèi)外駐華機(jī)構(gòu)、科研單位、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機(jī)構(gòu)等不同領(lǐng)域的1011余家產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈企業(yè)，5417位嘉賓參加了本屆大會(huì)，其中245家企業(yè)展示了儲(chǔ)能產(chǎn)品，可謂盛裝出席，涵蓋系統(tǒng)集成、電芯、PCS、BMS、集裝箱、消防、檢測(cè)認(rèn)證等新型儲(chǔ)能全產(chǎn)業(yè)鏈。
5月25日下午，深圳市拓邦鋰電池有限公司研發(fā)總監(jiān)陶芝勇受邀在鋰離子電池與儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)專場(chǎng)分享了主題報(bào)告，報(bào)告題目為《儲(chǔ)能電池設(shè)計(jì)和工藝發(fā)展趨勢(shì)》。以下是報(bào)告主要內(nèi)容：
陶芝勇：各位專家，各位嘉賓，各位同行，下午好！非常高興和大家分享一下我的演講題目《儲(chǔ)能電芯的設(shè)計(jì)和工藝發(fā)展趨勢(shì)》。
開(kāi)篇先提出我的小觀點(diǎn)，未來(lái)儲(chǔ)能電池是往大容量、低成本、高安全和長(zhǎng)壽命的方向發(fā)展。當(dāng)然，前一段時(shí)間歐陽(yáng)院士提出了大容量的鐵鋰電芯有爆燃的風(fēng)險(xiǎn)，但我們認(rèn)為大方向是不會(huì)變的，留給我們的技術(shù)難題需要各位一起努力去解決。
圍繞著儲(chǔ)能電芯的三大核心指標(biāo)，我們?cè)撟瞿男┻x擇？我從以下幾方面去做一個(gè)分享：封裝方式、電芯結(jié)構(gòu)、工藝、充放電方式、材料體系和控制方法。
首先分享一下封裝。方形電芯，這在儲(chǔ)能里尤其是大儲(chǔ)能里，是占絕對(duì)的主導(dǎo)地位，因?yàn)樗逃械膬?yōu)點(diǎn)，首先是容量可以做的很大，相對(duì)成本也比較低，壽命是排在相對(duì)前面的。方形儲(chǔ)能目前的情況，主要是大家的型號(hào)沒(méi)有完全統(tǒng)一，但是隨著280Ah的出現(xiàn)，大家選的大儲(chǔ)能型號(hào)基本都一樣。我在這里主要是希望大家做一個(gè)探討，將來(lái)我們的鋁殼電芯做更大以后，可能要考慮一下尺寸效應(yīng)，就像歐陽(yáng)院士提到的，電池做大以后要規(guī)避一些散熱難、內(nèi)阻大、循環(huán)差的問(wèn)題。所以我個(gè)人更傾向于以后可能要做成類刀片電池或者說(shuō)雙頭極柱的，或者兩者結(jié)合起來(lái)。
圓柱電芯，圓柱在容量不大的儲(chǔ)能系統(tǒng)里還是有它的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的，尤其這兩年大圓柱電芯的工藝得到了很大的提升。我們現(xiàn)在看這種全極耳工藝已經(jīng)比之前的18650或21700這種單極耳、雙極耳有很大的提升，主要的提升是導(dǎo)流和導(dǎo)熱能力。得益于工藝的發(fā)展，大圓柱在很大一部分儲(chǔ)能系統(tǒng)里得到很大的推廣，它也有它的局限性，由于注液方式的原因，電解液得用特殊的溶劑，因?yàn)閳A柱厚了以后，注液特別困難。
軟包電芯，它的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)就是能量密度可以做到特別高，在三類封裝方式里，能量密度是最高的。另外，它還適合做大倍率或超大倍率放電，尤其是超過(guò)30C以上的，非常適合軟包。軟包的主要問(wèn)題是成本確實(shí)比較高，整個(gè)工藝略復(fù)雜，而且PACK的成本相對(duì)比較高，要給它做支架，做剛性處理。所以目前來(lái)講，國(guó)內(nèi)拿軟包電芯做PACK或者儲(chǔ)能的不多，派能是其中一家，其他的可能選擇的不多。
我們拓邦三種電芯都做，所以我們內(nèi)部做了一個(gè)小結(jié)，我們認(rèn)為在儲(chǔ)能電芯方面，尤其是大儲(chǔ)能，還是方形鋁殼略占優(yōu)，其次可能是圓柱，這個(gè)圖的對(duì)比是給大家分享的結(jié)果。從經(jīng)濟(jì)性和安全性以及性能的分析，我們得出這么一個(gè)結(jié)論。
接下來(lái)，給大家分享一下材料方面的選擇。剛剛嘉賓也介紹了動(dòng)力電池方面的一些情況，我們?cè)谶^(guò)去的十年，不管是動(dòng)力電池還是儲(chǔ)能電池，都在追求高能量密度的路上走了很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)，從最早的111三元體系，到523、622、811，做到極致就是“高鎳+硅碳”，再加上固態(tài)電解質(zhì)，能量密度可以到400wh/kg以上。另外還有一種選擇，就是把高鎳這個(gè)體系降下來(lái)，選擇鎳55這個(gè)體系，為什么這么選呢？因?yàn)楦哝嚥牧洗_實(shí)能量密度很高，但是安全性來(lái)講，要比其他體系略差，所以業(yè)界還有一種選擇，就是做單晶化的鎳55體系。因?yàn)槎嗑У娜?，它有一個(gè)問(wèn)題，就是在循環(huán)過(guò)程中不可避免的產(chǎn)生晶界分裂，會(huì)帶來(lái)安全以及壽命上的問(wèn)題。
磷酸鐵鋰電池，我們從這張圖上可以看得出來(lái)，它的熱穩(wěn)定性確實(shí)要比三元體系好很多，純材料來(lái)講，它的分解溫度要比三元體系高很多?？梢钥吹贸鰜?lái)，最右邊的圖，在熱箱實(shí)驗(yàn)里，在180度的情況下，鐵鋰體系基本上不會(huì)產(chǎn)生熱失控的現(xiàn)象。
再看安全，從目前大部分行業(yè)內(nèi)或者國(guó)標(biāo)的測(cè)試來(lái)看，鐵鋰的通過(guò)率是最高的，所以目前來(lái)講如果是做儲(chǔ)能的話，如果從安全的角度上來(lái)講，磷酸鐵鋰依然是一個(gè)最優(yōu)選。
從最近這幾年的鐵鋰體系來(lái)看，大家主要還是追求高壓實(shí)路線，目前行業(yè)鐵鋰的壓實(shí)可以達(dá)到2.65左右，前幾年還是在2.4左右。鐵鋰原材料的廠家現(xiàn)在經(jīng)過(guò)努力以后，把燒結(jié)工藝提升之后，可以基本上滿足鐵鋰能量密度最大化的要求。
給大家介紹一下這兩年比較火的磷酸錳鐵鋰，它在我們公司也做過(guò)了規(guī)?；闹性嚕覀兘o它的結(jié)論是能量密度確實(shí)很高，比鐵鋰高20%左右。理論上它是可以提高25%，但是實(shí)際上由于現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的供應(yīng)商對(duì)鐵錳的配比還有一些差別，加上它主要提高的是平臺(tái)電壓，所以可能感覺(jué)不明顯，但我們認(rèn)為它是儲(chǔ)能體系的一個(gè)有潛力的后備。磷酸錳鐵鋰可能還要解決放電曲線對(duì)用電負(fù)載的問(wèn)題，一般用的話，要和三元鐵錳鋰或者錳酸鋰去混配，對(duì)這個(gè)曲線做一些優(yōu)化的調(diào)整。我預(yù)估可能在明年或者后年，磷酸錳鐵鋰的產(chǎn)品會(huì)有一定的規(guī)模。
接下來(lái)再講一下在儲(chǔ)能體系鈉電的應(yīng)用場(chǎng)景。我們公司對(duì)鈉電儲(chǔ)能研究已經(jīng)有幾年的時(shí)間，其實(shí)鈉電有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)，首先它的成本可以做的很低，從理論上來(lái)講，它應(yīng)該是可以比鐵鋰要起碼降低成本30%以上。從它的技術(shù)路線來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)基本上是選擇層狀氧化物為主，普魯士藍(lán)和普魯士白比較少。負(fù)極基本上就是硬碳，但是硬碳在過(guò)去的十年內(nèi)，國(guó)內(nèi)的硬碳技術(shù)進(jìn)步不是很快，但是這兩年硬碳研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化速度明顯加快，是因?yàn)檫^(guò)去的兩年碳酸鋰的價(jià)格漲的太快，讓鋰電行業(yè)的成本壓力巨大，你繼續(xù)做可能虧本，不做訂單又不能交，所以催生了鈉電的加速。目前鈉電里進(jìn)步最快的是硬碳和層狀氧化物，目前國(guó)內(nèi)能量密度可以做到160wh/kg，循環(huán)壽命可達(dá)3000次左右。離我們對(duì)儲(chǔ)能的要求還是有點(diǎn)差距，所以鈉電我們還得觀察，可能到今年年底到明年。
我簡(jiǎn)單講一下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的關(guān)鍵問(wèn)題。現(xiàn)在的儲(chǔ)能電池往大容量做的話，基本上是異端極柱，它的主要優(yōu)勢(shì)是散熱和溫升。從這張圖可以看得出來(lái)，左邊的圖是異端極柱的，它的平均溫升比同端極柱要低很多，像這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基本上是業(yè)界比較認(rèn)同的，在長(zhǎng)寬比接近1，或者極柱越寬、極耳越寬的設(shè)計(jì)，是比較有利散熱的。
現(xiàn)在業(yè)內(nèi)都普遍應(yīng)用的隔膜涂膠和極邊涂膠，目的就是散熱和去除毛刺，提高電池的一致性。
接下來(lái)和大家分享的是儲(chǔ)能電芯方面成本的控制。從這個(gè)結(jié)構(gòu)圖可以看得出來(lái)，這里面成本最大的就是正極，極端的情況下，可以占到57%，碳酸鋰那個(gè)時(shí)候最高達(dá)到了60萬(wàn)/噸?，F(xiàn)在降下來(lái)了，但占比最高的還是正極。其實(shí)我們降本的手段無(wú)非那幾種，性能滿足就好，不要過(guò)剩，用標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)取代定制。因?yàn)樽龆ㄖ频糜幸粋€(gè)逐步爬坡的過(guò)程，還得有一個(gè)規(guī)模化的過(guò)程，所以定制比不上標(biāo)準(zhǔn)化，盡量用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)取代復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，減少物流成本，從而達(dá)到電芯降本的目的。
第二是做減法，這就有很多方案了，剛才嘉賓也提到了CTC和CTP，去掉中間環(huán)節(jié)，去掉過(guò)多的導(dǎo)電劑，去掉不必要的電解液用量。為了減掉百分之一的用量，可能做很多試驗(yàn)。因?yàn)殡姵乩镆獪p一些東西，得考察它的壽命，所以其實(shí)電池廠大部分的開(kāi)發(fā)時(shí)間就花在觀察和反復(fù)驗(yàn)證的過(guò)程里。
給大家分享一下儲(chǔ)能電池的壽命優(yōu)化。目前來(lái)講，從我們這次的儲(chǔ)能大會(huì)也看得出，目的都是為了提升電芯的性價(jià)比，降低電芯生命周期的成本。這里面最關(guān)鍵的就是要把電池的壽命做高，這樣生命周期內(nèi)的成本就會(huì)低。如果你要做工商儲(chǔ)，電池壽命沒(méi)有萬(wàn)次以上，可能成本就控不下來(lái)，甚至虧損。
電池的壽命提升，在我們這20年的鋰電發(fā)展史上，提高的確實(shí)比較快，早期的鋰電池壽命就是300次、500次，三元為500-1000次，鐵鋰最早為1500次，現(xiàn)在最高可以達(dá)到萬(wàn)次以上，這離不開(kāi)材料廠的努力，離不開(kāi)電解液廠的努力，離不開(kāi)設(shè)備精度和自動(dòng)化的提升。特別指出的是，我們往往忽略電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響，電芯做好了，但一致性沒(méi)有做好，PACK結(jié)構(gòu)沒(méi)有做好，都會(huì)影響對(duì)電池的壽命。從我們整個(gè)對(duì)儲(chǔ)能電池的開(kāi)發(fā)來(lái)看，影響的無(wú)非就是幾個(gè)：材料、結(jié)構(gòu)、一致性，這是大頭。根據(jù)方形、圓柱、軟包的不同，調(diào)整方向還不同，每種電池的側(cè)重點(diǎn)會(huì)有一些相對(duì)的區(qū)別。
談一下我們公司現(xiàn)在正在做的一些有利于提升儲(chǔ)能電池的措施，包括細(xì)到充放電的方式，很多頭部企業(yè)可能也在用。也就是說(shuō)，充電的時(shí)候，如果在初始階段能夠用大電流，在快充滿的時(shí)候用小流量去補(bǔ)充，這樣會(huì)相對(duì)提高電池的壽命，這就要求電池的系統(tǒng)設(shè)計(jì)里對(duì)充電方式做一些微調(diào)。實(shí)際上它的基本原理很簡(jiǎn)單，當(dāng)時(shí)充電的時(shí)候，快充的話，濃差極化是基本上沒(méi)有，快充滿的時(shí)候，從電化學(xué)的角度來(lái)講，濃差極化就成了一個(gè)主要的控制方式，把電流減小，就有利于減少電池的損耗。
再和大家分享一下儲(chǔ)能電池容量做大的一些優(yōu)勢(shì)和要避免的風(fēng)險(xiǎn)。這兩年電池廠包括頭部企業(yè)的電池是越做越大，都是基于一個(gè)思想，就是為了降成本，無(wú)論是單位面積的殼體的成本，還是PACK的成本，減少接插件，大家都希望把電池做大。但是做大了也有風(fēng)險(xiǎn)，電池做厚，散熱不好解決，厚度從30mm做到70，80mm，中間極片的散熱肯定要比邊上的差，而且很難通過(guò)散熱來(lái)彌補(bǔ)，風(fēng)道設(shè)計(jì)也難以消除過(guò)大的溫差，所以我們要充分認(rèn)識(shí)到這個(gè)問(wèn)題。增加殼體厚度，一是散熱困難，降低了電解液量，也有循環(huán)不夠的風(fēng)險(xiǎn)，把隔膜減薄，有短路的風(fēng)險(xiǎn)，所以做儲(chǔ)能電池，不管是設(shè)計(jì)來(lái)講，還是從工藝來(lái)講，要操很多心。我這里列出的只是風(fēng)險(xiǎn)的一部分，供大家參考。
今天有很多的報(bào)告都在強(qiáng)調(diào)電芯大尺寸的發(fā)展方向，這是業(yè)界的共識(shí)。大尺寸碰到的各種問(wèn)題，我們也得坦然面對(duì)，怎么樣去解決？我認(rèn)為可能要做類刀片雙頭極柱的電池，大家都是朝這個(gè)方向努力，純粹的加厚或者一味在某個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)如堆電極密度，這些都是不太可行的。儲(chǔ)能電池設(shè)計(jì)的優(yōu)化方向就是散熱、成本以及壽命得到兼顧，所以我們認(rèn)為未來(lái)的方向肯定是這樣。
我再和大家分享一下將來(lái)儲(chǔ)能電池制造的工藝趨勢(shì)。首先，制造趨勢(shì)基本上是往自動(dòng)化方向走的，數(shù)字化和高精度是自動(dòng)化的基礎(chǔ)。我們做電芯做了這么久，40%的異常發(fā)生在前端，從配料到制片，這幾個(gè)工藝做好了，后面的工藝基本沒(méi)有嚴(yán)重的異?；蛘哒f(shuō)異常比較少。
對(duì)電池前段工藝?yán)锏臄嚢?，我認(rèn)為將來(lái)的趨勢(shì)一定是連續(xù)制漿，它的好處就是可靠性、效率都得到很大的提升。因?yàn)楝F(xiàn)在傳統(tǒng)的方式是一種概率性的攪拌，每次攪拌的概率和效率是比較低的。
這是連續(xù)制漿的原理和設(shè)備。
涂布，從鋰電發(fā)展的情況來(lái)看，從最早的單面涂布到現(xiàn)在普遍普及的雙層涂布，將來(lái)也會(huì)發(fā)展到雙面涂布。其實(shí)我們現(xiàn)在主要的設(shè)備廠都提供了雙面涂布，但目前普及的還不是很高。好處是顯而易見(jiàn)的，速度快、效率高。
激光模切也是一種趨勢(shì)。
下面提到電池最頭痛的就是雜質(zhì)和毛刺控制。
我再講一下設(shè)計(jì)里的疊片和卷繞，對(duì)儲(chǔ)能電池來(lái)講，尤其是方形，70%以上都是選擇卷繞。卷繞有它的問(wèn)題，大家可以看這張圖，不管你怎么做或者采取怎樣的壓芯工藝，總會(huì)有變形，那種變形在小電芯或者薄的時(shí)候不明顯，但是做大做厚了以后就會(huì)有這樣的問(wèn)題。大家看到右下角，它這種形變會(huì)帶來(lái)電芯充放電過(guò)程中，鋰的遷移的邊緣化效應(yīng)，會(huì)帶來(lái)循環(huán)過(guò)程中的膨脹力的差異。如果你是做疊片，你會(huì)發(fā)現(xiàn)電池在循環(huán)中的膨脹力要比卷繞的小很多，這是力的影響。所以為什么現(xiàn)在有的鋰電企業(yè)在儲(chǔ)能電池做大了以后，它要選疊片，就是綜合考慮，除了制造效率的問(wèn)題，還有性能以及后期膨脹力的問(wèn)題，膨脹力如果控制不好，就會(huì)把整個(gè)成品結(jié)構(gòu)性的破壞。
儲(chǔ)能電池以后的工藝發(fā)展趨勢(shì)，我認(rèn)為最重要的是一體化制造，其實(shí)現(xiàn)在大家基本上都實(shí)現(xiàn)了，就是把幾個(gè)關(guān)鍵工序通過(guò)一體化設(shè)備串在一起做整合，來(lái)提高效率，減少物流。同時(shí)，未來(lái)還可能會(huì)在某些工序上做減法，除了設(shè)計(jì)上做減法，還要制造的工步做減法，可能以后就沒(méi)有攪拌了，就用干粉電極，直接通過(guò)噴濺的方式或者壓制的方式，把電極全部壓在箔材上。甚至有可能一致性做好了，電池就不分容了，因?yàn)榉秩輿](méi)有太多的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，如果容量的一致性的非常好，CPK達(dá)到2.0以上，取消分容是有可能的。
另外，將來(lái)電芯的制造或者說(shuō)成品的制造，都會(huì)逐漸普及視覺(jué)監(jiān)控或者視覺(jué)糾偏，會(huì)大大提高制造的效率。將來(lái)鋰電的制造可能在將來(lái)有新的優(yōu)化方式可選擇，例如三維模擬生產(chǎn)等等，包括能耗，能耗在十年間已經(jīng)降了30%，而且應(yīng)該還會(huì)繼續(xù)往下降。
接下來(lái)我簡(jiǎn)單介紹一下我們公司-深圳市拓邦鋰電池有限公司。拓邦鋰電現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)制漿，一體化制造，環(huán)保工廠和節(jié)能工廠。在材料體系上，公司主要為磷酸鐵鋰，將來(lái)會(huì)把鈉離子和磷酸錳鐵鋰做下一代的評(píng)估。
在電芯的應(yīng)用領(lǐng)域，小容量的儲(chǔ)能產(chǎn)品適配大圓柱電芯，公司目前生產(chǎn)的33140-15Ah，40140-20Ah的大圓柱電芯，可以完美匹配0.5kwh-3kwh的便攜儲(chǔ)能產(chǎn)品，整機(jī)壽命在2年以上，Pack體積比較小，性價(jià)比高。
拓邦鋰電用于儲(chǔ)能的大容量的方形電芯，設(shè)計(jì)壽命都在10000次以上，溫升低，0.5C放電小于1度，1C放電小于5度，散熱性能較好。100Ah方形電芯可應(yīng)用在家庭儲(chǔ)能產(chǎn)品上，單個(gè)模塊設(shè)計(jì)為5.12kwh，根據(jù)不同用電需求串并成不同的容量，滿足家庭用電需求150Ah方形電芯可應(yīng)用在工商儲(chǔ)能產(chǎn)品上，公司目前開(kāi)發(fā)的100kWh，200kWh的標(biāo)準(zhǔn)工商儲(chǔ)機(jī)柜產(chǎn)品，均采用的150Ah電芯。
拓邦鋰電致力于成為國(guó)際一流值得信賴的鋰電產(chǎn)品提供商，希望與業(yè)界同仁就電池技術(shù)做更多深入的交流和技術(shù)的分享，感謝大家！
