黄学杰：锂离子储能电池的现状和发展趋势

5月19日至21日，“第八届中国国际储能大会”在深圳隆重召开， 来自中国、美国、德国、英国、加拿大、西班牙、日本、韩国、澳大利亚等国和地区1500余位政府机构、科研院所、行业组织、电力公司、新能源项目单位、系统集成商等代表出席本次大会。

中国科学院物理研究所研究员黄学杰在储能电池专场，发表了题为“锂离子储能电池的现状和发展趋势”的精彩演讲。

演讲内容如下：

黄学杰：

各位嘉宾，早上好!今天借此机会介绍锂离子电池的情况，我们知道锂离子电池是储能技术，今年储能得到比较多的重视。我们的储能电站在不断的建，除了储能电站外，锂离子电池建起来的比较多，无论是家用还是所谓集中试，集中试已经达到百兆瓦级。

为什么这两个技术发展比较快?一是大规模，二是低成本、分布式。现在二者开始竞争，锂离子电池尤其重要优势。其他的储能技术，包括液流电池是百分之七十，锂离子电池是百分之九十左右。

电池是效率最高的储能方式，电池有很多种，我们这里谈到的是储能电池。铅酸、锂离子都用在储能上，分布式电池储能建得比较多的是铅酸和锂离子。铅酸和锂离子的区别，锂离子发展较快。锂离子的特点是在宽充放电范围有很好的寿命。上图显示，锂离子长期储能不会100%的DOD，长期的储能一般情况下是75%DOD，不可能把它放完，也不可能把它充满。75%DOD的寿命非常长。如果铅酸电池要到达同样的寿命，不能超过30%，实际可用容量较低。你可以把铅酸电池提高深度，用到80%，比你强一点，但你的寿命恐怕下去了。我在考虑同等寿命的同时，放电深度的情况下，每瓦时的锂离子电池，其成本低于铅酸电池。暂且不说别的好处，这是今天储能锂离子电池发展得最快。

电池有不同的材料构成，70%的成本来自于材料，甚至超过一点。嵌入式的正负极材料决定了锂离子电池性能，材料的种类有很多，在电动车方面，我们知道有铁锂。能做电池材料的物质有很多，很多锂化合物、磷酸铁锂等都可以做正极材料。很多能跟锂产生化学反应，都可以作为负极材料，所以有了石墨材料、碳材料、合金材料等。

储能最重要的是安全性，户用储能装在家庭里。大型储能可以建到百兆瓦级甚至千兆瓦级。它有着更高的效率，更快的响应。电池里有很多易燃材料，添加负极会变成活泼的材料。要柴火能烧起来，我们需要火柴，火柴是强氧化性的。氧化性越强，手机电池正常情况下没问题，充满电会变成高价氧化物，变成点火的火柴。我们的电池变得非常可靠，我们要防止电池出现种种的事故，事故是由电池过热引起的。我们的正极材料充完电后具有强烈的氧化型，开始引燃负极材料发生反应，包括破裂、起火、爆炸，这非常危险。

目前来讲，我们无从选择负极材料，碳酸锂太贵。现在99%的电池用的还是碳材料。在负极材料和电解质不能改变的情况下，谈到电解质，10年后还有固体电解质。这时候正极材料变得非常重要，这么多的正极材料，我们优先考虑最安全的正极材料，各有各的特点。一旦受热后，充电正极材料和电解液会反应，特斯拉的车最容易反应，撞一次起火一次。NCA充完电后，氧化性最强。

什么材料最安全?磷酸铁锂，唯一一个材料，加热后跟电反应，撤下来温度会自降，其他不可以，其他材料是加速的过程。今天磷酸铁锂作为主要材料，感谢这两位老人。1997年，教授提出磷酸铁锂材料。1999年M.Armand教授提出纳米化，由绝缘体变成电子电导性能，满足电池需求的特点。今年10月份，美国专门举办了感谢他们的会议，我们都会参加。

这个会议主要是对MichelArmand表示敬意。在座很多人做锂离子电池，很多人不知道锂离子电池怎么来的，1971年在美国市场做出锂石墨化合物。1972年时，正式在国际会议上发表概念，这是后来锂石墨化合物。对于固态电池也有重要贡献，1978年做博士论文时，谈到聚合物固态电解质。在1980年提出"摇椅式电池"概念，同时领导了加拿大Hydro-Quebec锂聚合物电池技术的开发工作，至今4000余辆汽车在巴黎运行。于1999年在美国夏威夷举办的第196届国际电化学大会上报告了碳包覆可解决磷酸铁锂正极材料的导电性问题，创办Phostech实现了包碳磷酸铁锂的产业化。固态电池可以用，但今天的固态电池不够好，在经济上、性能上跟锂离子电池有差距。经济价格应该是10年后的事情。后面是他为磷酸铁锂做的贡献。

不仅仅要选择稳定的磷酸铁锂材料，磷酸铁锂的车子也爆炸、起火过，在深圳被撞过。我认为材料是一方面，电池结构也非常重要。这是波音787的电池，飞机起火多少次，赔了很多钱。它当时采用了一种材料，二者合起来导致了这个问题。出的这么大的事故，在此暂且不说细节。汽车出事赔偿几十万元，这个案子赔偿了几十万美金。

比转让式更好的结构是叠片式结构，雪佛兰做了三十几万台车，用的就是这个结构。之所以采用叠片式结构，机片充放电的过程中有膨胀和收缩，韧力非常惊人。早年我们建议采用叠片式的结构，叠片式结果的好处是明显长寿命。电池可以4C充电，5C放电。

10年前开始，我们在欧洲法电测试中心做测试，6000次以上的寿命，100%DOD，还有80%。不仅在实验室里做得好，我们在工业上应用，做了2000多台共享租赁车。2010年有73台车，2011年900多台车，2011年放了1300多台车。最短已经用了5年多，最长的用了将近8年。多的跑了2000多次，对车子做抽样测试，现在电池的容量最低的有73%，证明磷酸铁锂电池可以满足长时间的应用。大家对储能的信心比较足。

为了提升制造的技术，杨总也参与了这件事。科学院在离这里不远的地方，我们在南沙成立了公共平台，让研究所从叠片开始做研究和技术。

去年，我们做了改进结构的磷酸铁锂电池。现在大部分用在储能上，由于电动车需要更高的能量密度，现在超过100Ah。这是在法电测试的结果，室温跟45度的寿命都非常好，这是为长期的储能必须的。之所以能解决这个问题，关键是设计的不同。大部分的电池，一头是正极和负极，这个电池有不同的设计。正极在负极在同一组，这么宽的极片，发热是发在极耳的部位。负极的导电性很好，上面涂的是碳材料。正极用的是全极耳，热可以分布均匀，大电流的工作，我们用红外摄像仪看热分布是非常好的。不仅温度好，关键是导热也很好，容易导热。我们用紧密结构做储能，底部的热可以轻易的传出来，这是用固体，不是用风扇吹。气体传热是最慢的，液体传热比气体快，金属固体导热是最快的。如果储能系统用小风扇，没有风扇可以在里面不停的转十几年。所以通过固体导热非常好，它可以做致密储能体系。三元能量密度高，你们说的是比能量，我认为这不对。我可以把软包做成200多瓦时每公斤，铁锂也是250-260。从电池包的角度来讲，铁锂和三元没有太大区别。要讲能量密度，每升多少小时。同样的尺寸，集装箱储能柜，如果用铁锂，可以比三元多装40-50%的能量。磷酸铁锂的能量密度比三元高40-50%。

这是我请法国电力的工作人员来看，一个40尺的柜子，用三元电池可以装2.5兆瓦时，包括PCS功能等。铁锂电池在储能上，密度经过优化，远远超过其他电池。储能系统将会有越来越多的应有。

应用场景之一：新能源消纳解决方案

由于风力与太阳能的易变难以预测，不能提供系统惯量，使得电网系统越来越容易触动电力频率波动上限，使得电网系统可靠性变弱。储能系统能够帮助可再生能源电站提高消纳能力，在有效解决日益严重的"弃风弃光"问题的同时，在削峰填谷和改善新能源电站出力上也起着重要作用。

意义：帮助新能源电站进行调峰;降低电网系统受新能源并网冲击，减少电网压力;吸收光伏及风力产生的谐波，提高新能源发电的电能质量，平滑间歇性波动。

收益点：提高新能源消纳能力，吸收弃光弃风的电量，更改时间上网，从而实现收益增长;平稳电力输出，减少电网压力，提高发电预测精度，缓解电网扩建压力。

现在锂离子电池储备成本大概0.3元，很多企业已经在用这个挣钱。

应用场景之二：用户侧定制化解决方案

根据不同类型需求为用户提供一整套定制化储能解决方案。通过储能可以实现削峰填谷，优化用电方案，响应电网做需求侧响应，也可在紧急情况作后备电源使用。用户侧储能有着广阔的发展前景，其面向应用类型广泛，从中小型工商业用户到用电大户以及对电

力质量要求极高的高精尖产业。

意义：为新能源用户提高能源稳定性和利用率;更大程度利用峰谷差价;减小电网依赖程度，应对高峰时限电;需求侧响应，减小电网压力;电能源管理，改善电能质量，可满足特殊负荷的电能质量需求;可作后备电源，并保证快速切换，应对紧急情况。

收益点：峰谷差价套利：谷时充电，峰时用电;减少基本电费：削减尖峰负荷，减少根据最大需量计量的基本电费;需求侧响应补贴：按照不同的地方政策，用户可根据响应降低的负载;功率获取补贴;提高电能质量，降低部分用户精密设备损耗。

应用场景之三：微电网储能解决方案

微电网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统，是一个可以实现自我控制、保护和管理的自治系统。它作为完整的电力系统，依靠自身的控制及管理供能实现功率平衡控制、系统运行优化、故障检测与保护、电能质量治理等方面的功能。

意义：解决新能源发电的波动性、随机性、间歇性问题;对区域内风光柴多种能源实现整合与智能化监测，控制与调度;建立微网系统，实现并/离网运行，无缝切换;开发和延伸微电网是实现新能源主动适配主电网的一种有效方式，并使传统电网向智能电网过渡。应对海岛或偏远地区因电网薄弱或无主电网连接导致用电困难的问题。

收益点：自发自用，减少用电电费;降低增容费用;售卖减排达标剩余的碳交易配额;减少海岛或偏远地区柴油机发电及运输成本。

最近在电动车上，150瓦时每公斤的电池包马上要专车上公告，大家知道特斯拉的电池包能量也是这个水平。基于长寿命、高安全的磷酸铁锂电池，在储能方面会有更大的优势。科学院花了很多时间在研究它的提升、制造技术、材料技术、系统技术的示范。相关的实验条件，我们在北京为电池界建立了开放的实验条件。里面具备原子水平分析能力，电池企业、整车企业、材料企业已经用到这些条件。我今天的报告到此结束，希望储能行业能得到快速的发展。谢谢大家!

(本文根据现场录音整理，未经本人审核)