中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2020年初，美國(guó)能源部部長(zhǎng)Dan Brouillette宣布將啟動(dòng)一項(xiàng)名為“儲(chǔ)能重大挑戰(zhàn)”計(jì)劃，旨在加快下一代儲(chǔ)能技術(shù)的開發(fā)、商業(yè)化和利用，并保持美國(guó)在全球儲(chǔ)能領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。據(jù)報(bào)道這項(xiàng)計(jì)劃建立在美國(guó)總統(tǒng)特朗普在2020財(cái)政年度預(yù)算要求中宣布的1.58億美元的高級(jí)儲(chǔ)能倡議基礎(chǔ)之上。據(jù)了解，美國(guó)能源部這些年一直在不遺余力的推廣儲(chǔ)能技術(shù)開發(fā)以及儲(chǔ)能的應(yīng)用。
成立獨(dú)立部門
2016年美國(guó)能源部的《正在發(fā)生革命》提出，燃料電池、電網(wǎng)端儲(chǔ)能電池、能源管理系統(tǒng)正在成為革命性改變的新興技術(shù)。而事實(shí)上，美國(guó)能源部的技術(shù)路線和發(fā)展目標(biāo)一直是我國(guó)科技部和工信部制訂新能源汽車方面科研和產(chǎn)業(yè)化政策的基本參考依據(jù)。
美國(guó)發(fā)展儲(chǔ)能較早，目前擁有全球近半的示范項(xiàng)目，并且出現(xiàn)了若干實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的儲(chǔ)能項(xiàng)目。美國(guó)能源部還專門建立了全球儲(chǔ)能數(shù)據(jù)庫(kù)，用于對(duì)全球儲(chǔ)能項(xiàng)目進(jìn)行追蹤，同時(shí)設(shè)立了多個(gè)部門來促進(jìn)并規(guī)范儲(chǔ)能的發(fā)展。
美國(guó)能源部旗下有高級(jí)能源研究計(jì)劃署(ARPA-E)、能源前沿研究中心(Energy Frontier Research Center)，支持開展多種儲(chǔ)能技術(shù)研究。美國(guó)能源部專門成立了新一代電池的研發(fā)組織“儲(chǔ)能聯(lián)合研究中心(JCESR)”。
還有美國(guó)能源部的勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，鼓勵(lì)在固態(tài)電池領(lǐng)域的創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，Seeo就是勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室唯一授權(quán)擁有核心專利的電池公司。
對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的資金支持
美國(guó)聯(lián)邦和各州政府正在鼓勵(lì)儲(chǔ)能部署的發(fā)展。聯(lián)邦層面的儲(chǔ)能部署已經(jīng)從美國(guó)能源部提供的有針對(duì)性的貸款和激勵(lì)計(jì)劃，以及美國(guó)聯(lián)邦能源管理委員會(huì)(FERC)努力清除批發(fā)市場(chǎng)參與的途徑中受益。美國(guó)能源部的研究著重于電池材料革新、電芯電化學(xué)優(yōu)化、增強(qiáng)可持續(xù)性和降低成本。
美國(guó)能源部自2008年開始支持鈉鎳電池平面化技術(shù)研發(fā)，規(guī)劃到2016年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，以替代現(xiàn)有鉛酸、鋰離子、鎳氫等化學(xué)電池；主要應(yīng)用于電力儲(chǔ)能。
美國(guó)能源部能源效率與可再生能源辦公室（EERE）于2013年發(fā)布《電動(dòng)汽車普及大挑戰(zhàn)藍(lán)圖》（EV EveryWhere Grand Challenge Blueprint），提出2022年電動(dòng)汽車發(fā)展目標(biāo)，力圖使美國(guó)成為世界上第一個(gè)能夠生產(chǎn)每戶家庭都能負(fù)擔(dān)得起的電動(dòng)汽車的國(guó)家。
該藍(lán)圖提出的技術(shù)目標(biāo)包括：電池方面，2022年成本要求降低到125美元/kWh，能量密度要求達(dá)到250Wh/kg，體積能量密度要求達(dá)到400Wh/L，功率密度要求達(dá)到2000W/kg。輕量化方面，通過輕量化技術(shù)使汽車重量降低30%。電驅(qū)系統(tǒng)方面，2022年成本要求降低到8美元/kW，功率重量密度要求達(dá)到1.4kW/kg，功率體積密度要求達(dá)到4kW/kg，能量轉(zhuǎn)換效率要求達(dá)到94%。
2016年7月，當(dāng)時(shí)的奧巴馬政府宣布發(fā)起了Battery500計(jì)劃，用五年、投資額5000萬美元，打造能量密度500wh/kg，循環(huán)壽命1000次的電芯。這一電池的技術(shù)路線是高比能鋰離子正極（鎳鈷錳）和鋰金屬負(fù)極。2017年這一項(xiàng)目已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了309wh/kg，但循環(huán)次數(shù)只有275次；2018年，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)350wh/kg，循環(huán)次數(shù)150次。
韓國(guó)LG化學(xué)為例，在美國(guó)能源部支持下，進(jìn)行了電動(dòng)汽車用高能量電池和模組的開發(fā)，該電池以富錳NCM做正極材料，Si基材料做負(fù)極。該項(xiàng)目中通過大面積ALD包覆來提高富錳正極材料的循環(huán)壽命，并開發(fā)高填料密度電極來提高能量密度，以實(shí)現(xiàn)可用能量密度640Wh/L, 循環(huán)壽命1000次，電芯成本$100/kWh的技術(shù)目標(biāo)。項(xiàng)目于2018年1月結(jié)束。
2018年報(bào)道，美國(guó)能源部打算到2021年花費(fèi)5000萬美元?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)高達(dá)500瓦時(shí)/千克能量密度的電池。
目前美國(guó)能源部將重心轉(zhuǎn)移至電網(wǎng)改造和能源存儲(chǔ)，整個(gè)汽車技術(shù)部門的預(yù)算投入較大減少，其中電池和電氣預(yù)算3940萬美元，較2019年降低1.24億美元。其中減少了創(chuàng)新型電池的性能測(cè)試、先進(jìn)電池材料和電化學(xué)優(yōu)化研究?jī)蓚€(gè)項(xiàng)目的資金，取消了電池安全性和熱性測(cè)試的項(xiàng)目資金。此外，還將電池正極研究小組數(shù)量縮減為一組。
美國(guó)能源部2018年5月宣布，決定啟動(dòng)持續(xù)增加電儲(chǔ)能Duration Addition to Electricity Storage (DAYS)項(xiàng)目，提供3000萬美元來資助能夠儲(chǔ)存并提供長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能系統(tǒng)，以便在電網(wǎng)規(guī)模上實(shí)現(xiàn)提供長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能可靠的電力。
美國(guó)能源部高級(jí)能源研究計(jì)劃署(ARPA-E)為電網(wǎng)規(guī)模可擴(kuò)展間歇可調(diào)度式儲(chǔ)能(GRIDS)設(shè)置了目標(biāo)。其目標(biāo)是開發(fā)能夠存儲(chǔ)可再生能源的儲(chǔ)能技術(shù)，可以在電網(wǎng)任何位置使用，投資成本低于每千瓦時(shí)100美元。
按照美國(guó)能源部的建議，可用于大規(guī)模儲(chǔ)能的電池需滿足以下幾個(gè)條件：在一小時(shí)內(nèi)可充放的能量不低于20千瓦，至少能夠支持5千次充放電，且使用壽命不短于10年。從實(shí)用角度來說，滿足上述條件的電池的價(jià)格不應(yīng)高于2000美元，也就是存儲(chǔ)每千瓦時(shí)能量的價(jià)格低于100美元。下表列出了電網(wǎng)規(guī)模可擴(kuò)展間歇可調(diào)度式儲(chǔ)能(GRIDS)計(jì)劃中的公司及其項(xiàng)目描述。
2018年9月，美國(guó)能源部宣布為兩項(xiàng)獨(dú)立的計(jì)劃提供1.48億美元的資金，其中包括五年內(nèi)為美國(guó)聯(lián)合儲(chǔ)能研究中心（JCESR）計(jì)劃（該中心負(fù)責(zé)電池新材料研發(fā)）提供1.2億美元的資金。這筆資金使美國(guó)聯(lián)合儲(chǔ)能研究中心（JCESR）能夠繼續(xù)研究能夠提高鋰離子電池能量密度的新材料，并為液流電池開發(fā)和研究提供資助。
2018年12月，美國(guó)能源部先進(jìn)能源研究計(jì)劃署（ARPA-E）宣布第四輪開放式招標(biāo)計(jì)劃（OPEN 2018），即資助9800萬美元用于遴選的40項(xiàng)變革性能源技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目，涵蓋了包括集中式發(fā)電、分布式發(fā)電、電網(wǎng)儲(chǔ)能、制造效率等在內(nèi)的九大技術(shù)領(lǐng)域。
同時(shí)，美國(guó)能源部（DOE）宣布將在未來五年內(nèi)為儲(chǔ)能聯(lián)合研究中心（JCESR）第二期投入1.2億美元，以推進(jìn)電池科學(xué)和技術(shù)研究開發(fā)。未來五年，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的JCESR將基于對(duì)材料原子和分子級(jí)別理論認(rèn)知，采用“自下而上”模式開發(fā)用于不同電池的新型材料。其目標(biāo)是設(shè)計(jì)和開發(fā)超出當(dāng)前鋰離子電池容量的多價(jià)化學(xué)電池，并研究用于電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能的液流電池新概念。
此外，美國(guó)能源部還宣布，計(jì)劃投資2050萬美元用于回收鋰離子電池研究，其目標(biāo)是將回收率提高到90%，而目前比率不到5%。美國(guó)能源部表示，其目標(biāo)是開發(fā)能夠達(dá)到90%鋰離子電池回收率的先進(jìn)技術(shù)，這表明市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的解決方案優(yōu)于監(jiān)管解決方案。
2019年2月美國(guó)能源部宣布，將斥資1,500萬美元在芝加哥附近的阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）展開三年的研發(fā)計(jì)劃。此研究案將結(jié)合阿貢、橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家再生能源實(shí)驗(yàn)室及數(shù)家大學(xué)之力，合作開發(fā)最新技術(shù)，冀望趕上中國(guó)在制造與回收鋰電池的實(shí)力。美國(guó)能源部推出了首個(gè)鋰離子電池回收中心，稱為ReCell中心，其目標(biāo)是將電池成本降低至每千瓦時(shí)80美元（約480元人民幣）。
2019年2月28日?qǐng)?bào)道，在新的鋰離子電池問世前、美國(guó)能源部還在研究一款用于汽車的先進(jìn)鉛酸電池，其成本可能僅為35美元/kWh(0.235元/Wh)。而以往鉛酸電池價(jià)格較低，原因可能是來源于海外回收。除此之外美國(guó)能源部也在考量其他新的儲(chǔ)能技術(shù)，包括可與鋰離子電池競(jìng)爭(zhēng)的液流電池，其電池組(不含電子連接件等)的價(jià)格為300美元/kWh(2.012元/Wh)。
美國(guó)政府在2020財(cái)年的擬議預(yù)算中，包括美國(guó)能源部電力辦公室與能源效率和可再生能源辦公室(EERE)提供的1.58億美元，這筆資金將用于促進(jìn)儲(chǔ)能的研究和開發(fā)項(xiàng)目，這項(xiàng)被稱為“先進(jìn)儲(chǔ)能計(jì)劃”的項(xiàng)目與一項(xiàng)耗資5900萬美元用于推進(jìn)熱電廠的計(jì)劃一起得到提議。擬議的美國(guó)能源部預(yù)算還包括電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)，并將其作為實(shí)驗(yàn)室和技術(shù)測(cè)試平臺(tái)的建議投資的一部分。其預(yù)算包括用于一個(gè)“新的電網(wǎng)儲(chǔ)能啟動(dòng)計(jì)劃”的500萬美元，該計(jì)劃將為一個(gè)基于實(shí)驗(yàn)室的電網(wǎng)規(guī)模電池儲(chǔ)能測(cè)試中心提供資金支持。
2019年8月，報(bào)道稱美國(guó)能源部宣布向通用汽車投入910萬美元，且其中200萬美元明確表示與固態(tài)電池的研發(fā)有關(guān)。具體而言，其中100萬美元將用于“對(duì)固態(tài)電池中的界面現(xiàn)象作基本的了解”，另外100萬美元?jiǎng)t是研究“用硫化物玻璃電解質(zhì)加熱全固態(tài)電池”。
2020年1月，美國(guó)能源部為儲(chǔ)能聯(lián)合研究中心第二期投入1.2億美元推進(jìn)電池科學(xué)和技術(shù)研究開發(fā)，項(xiàng)目資金支持包括美國(guó)大型及零售側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)貼計(jì)劃。
2020年2月5日，美國(guó)能源部表示，在最新的1.255億美元太陽能技術(shù)研發(fā)資助中，總計(jì)3900萬美元的資金將用于建設(shè)和示范sCO2布雷頓循環(huán)技術(shù)項(xiàng)目。該系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)550℃至630℃溫度下的熱能存儲(chǔ)。美國(guó)能源部的目標(biāo)是到2030年帶有12個(gè)小時(shí)的（熱）儲(chǔ)能的CSP成本降低到50美元/兆瓦時(shí)。
近日，美國(guó)能源部宣布為25個(gè)州的55個(gè)先進(jìn)制造業(yè)的研發(fā)項(xiàng)目提供約1.87億美元（約13億人民幣）的資助，其中約6687萬美元（約4.68億人民幣）用于11個(gè)電池儲(chǔ)能創(chuàng)新制造工藝項(xiàng)目開發(fā)，以支持美國(guó)在全球制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。
對(duì)儲(chǔ)能企業(yè)的支持
美國(guó)能源部ARPA-E項(xiàng)目啟動(dòng)了名為IONICS的儲(chǔ)能計(jì)劃，為鋰金屬電極領(lǐng)域的早期研究提供補(bǔ)助，具體使用過ARPA-E補(bǔ)助金的單位包括24M、Ionic Materials、PolyPlus Battery Company、愛荷華州立大學(xué)等。
2009年8月，美國(guó)能源部支持美國(guó)BeaconPower公司建設(shè)了兩個(gè)20MW飛輪儲(chǔ)能電站。
2009年，Sion Power公司獲得美國(guó)能源部80萬美元的資金資助，以開發(fā)一種鋰硫電池用的新型電解質(zhì)。2010年又獲得APPA-E 500萬美元資助以開發(fā)電動(dòng)車用鋰硫電池。
2009年，EnerDel獲得美國(guó)能源部1.185億美元資助，主要用于擴(kuò)大其在美國(guó)印第安納州的鋰電池年產(chǎn)能
磷酸鋰鐵電池公司A123剛開張時(shí)，總員工數(shù)只有5人，美國(guó)能源部提供了10萬美元科技項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)。
美國(guó)能源部2009年支持102萬美元研發(fā)高溫Sodium-Beta Batteries。該項(xiàng)目由EaglePicher公司與PNNL合作，修改了傳統(tǒng)的管狀鈉鎳電池結(jié)構(gòu)，使用堆疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并提高電池性能，從而降低昂貴的管式結(jié)構(gòu)制造成本。
2012年成立的一家基于普魯士藍(lán)電極和鈉離子電解質(zhì)的新動(dòng)力電池技術(shù)開發(fā)商N(yùn)atron Energy，得到了美國(guó)能源部高級(jí)研究計(jì)劃局 - 能源(ARPA-E)的支持。
美國(guó)能源部的主管科技研發(fā)業(yè)務(wù)的親兒子，ANL在過去若干年花了美國(guó)能源部數(shù)億美元的研發(fā)經(jīng)費(fèi)用來研發(fā)鋰電池。
據(jù)2019年8月報(bào)道，F(xiàn)orm Energy，這家初創(chuàng)企業(yè)部分源自于麻省理工學(xué)院材料科學(xué)教授蔣業(yè)明的實(shí)驗(yàn)室，在籌集了1100萬美元同時(shí)還獲得了美國(guó)能源部390萬美元的撥款。
已經(jīng)研發(fā)相關(guān)專利技術(shù)15年之久，XNRGI公司表示擁有大量與Powerchip電池技術(shù)直接相關(guān)的專利，還獲得了美國(guó)能源部的研究資助。
儲(chǔ)能安全領(lǐng)域
為解決安全問題，美國(guó)能源部于2014年發(fā)布儲(chǔ)能安全戰(zhàn)略規(guī)劃，并于2015年成立了儲(chǔ)能安全工作組，下設(shè)三個(gè)工作組，標(biāo)準(zhǔn)工作組便是其中之一，旨在推動(dòng)和協(xié)調(diào)NFPA、UL、CSA、ICC、IEEE、DNV GL、FM Global等機(jī)構(gòu)制修訂儲(chǔ)能安全相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，并提供相關(guān)研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。目前，面向儲(chǔ)能系統(tǒng)本體和安裝要求的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要有UL 9540、NFPA 855等，這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)已被批準(zhǔn)為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，UL 9540同時(shí)也被批準(zhǔn)為加拿大國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
2018年報(bào)道稱美國(guó)能源部正在制定儲(chǔ)能安全路線圖，美國(guó)能源部桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Sania National Laboratory for DOE)開展了許多制定固定儲(chǔ)能安全標(biāo)準(zhǔn)的小組項(xiàng)目活動(dòng)，該項(xiàng)目負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)NFPA、國(guó)際規(guī)范委員會(huì)和IEEE等代碼設(shè)置機(jī)構(gòu)的工作，以及諸如DNV GL和FM Global等公司提供測(cè)試并有助于建立規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。
