选择语言
English
新闻资讯

汇聚行业资讯,分享公司动态,与时俱进,共创未来

首页 > 新闻资讯 > 技术知识

拓邦锂电陶芝勇:储能电池设计和工艺发展趋势

网址:www.topbandbattery.cn     日期:2023-06-05

数字储能网讯:5月24~26日,由工业和信息化部节能与综合利用司与国家能源局能源节约和科技装备司联合指导,中国化学与物理电源行业协会主办并联合240余家机构共同支持的第十三届中国国际储能大会在杭州召开。 


来自行业主管机构、国内外驻华机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的1011余家产业链供应链企业,5417位嘉宾参加了本届大会,其中245家企业展示了储能产品,可谓盛装出席,涵盖系统集成、电芯、PCS、BMS、集装箱、消防、检测认证等新型储能全产业链。 


 5月25日下午,深圳市拓邦锂电池有限公司研发总监陶芝勇受邀在锂离子电池与储能系统设计专场分享了主题报告,报告题目为《储能电池设计和工艺发展趋势》。以下是报告主要内容:


陶芝勇分享.jpg


陶芝勇:各位专家,各位嘉宾,各位同行,下午好!非常高兴和大家分享一下我的演讲题目《储能电芯的设计和工艺发展趋势》。 


 开篇先提出我的小观点,未来储能电池是往大容量、低成本、高安全和长寿命的方向发展。当然,前一段时间欧阳院士提出了大容量的铁锂电芯有爆燃的风险,但我们认为大方向是不会变的,留给我们的技术难题需要各位一起努力去解决。 


围绕着储能电芯的三大核心指标,我们该做哪些选择?我从以下几方面去做一个分享:封装方式、电芯结构、工艺、充放电方式、材料体系和控制方法。 


首先分享一下封装。方形电芯,这在储能里尤其是大储能里,是占绝对的主导地位,因为它固有的优点,首先是容量可以做的很大,相对成本也比较低,寿命是排在相对前面的。方形储能目前的情况,主要是大家的型号没有完全统一,但是随着280Ah的出现,大家选的大储能型号基本都一样。我在这里主要是希望大家做一个探讨,将来我们的铝壳电芯做更大以后,可能要考虑一下尺寸效应,就像欧阳院士提到的,电池做大以后要规避一些散热难、内阻大、循环差的问题。所以我个人更倾向于以后可能要做成类刀片电池或者说双头极柱的,或者两者结合起来。


圆柱电芯,圆柱在容量不大的储能系统里还是有它的独特优势的,尤其这两年大圆柱电芯的工艺得到了很大的提升。我们现在看这种全极耳工艺已经比之前的18650或21700这种单极耳、双极耳有很大的提升,主要的提升是导流和导热能力。得益于工艺的发展,大圆柱在很大一部分储能系统里得到很大的推广,它也有它的局限性,由于注液方式的原因,电解液得用特殊的溶剂,因为圆柱厚了以后,注液特别困难。 


软包电芯,它的独特优点就是能量密度可以做到特别高,在三类封装方式里,能量密度是最高的。另外,它还适合做大倍率或超大倍率放电,尤其是超过30C以上的,非常适合软包。软包的主要问题是成本确实比较高,整个工艺略复杂,而且PACK的成本相对比较高,要给它做支架,做刚性处理。所以目前来讲,国内拿软包电芯做PACK或者储能的不多,派能是其中一家,其他的可能选择的不多。 


 我们拓邦三种电芯都做,所以我们内部做了一个小结,我们认为在储能电芯方面,尤其是大储能,还是方形铝壳略占优,其次可能是圆柱,这个图的对比是给大家分享的结果。从经济性和安全性以及性能的分析,我们得出这么一个结论。 


接下来,给大家分享一下材料方面的选择。刚刚嘉宾也介绍了动力电池方面的一些情况,我们在过去的十年,不管是动力电池还是储能电池,都在追求高能量密度的路上走了很远很远,从最早的111三元体系,到523、622、811,做到极致就是“高镍+硅碳”,再加上固态电解质,能量密度可以到400wh/kg以上。另外还有一种选择,就是把高镍这个体系降下来,选择镍55这个体系,为什么这么选呢?因为高镍材料确实能量密度很高,但是安全性来讲,要比其他体系略差,所以业界还有一种选择,就是做单晶化的镍55体系。因为多晶的三元,它有一个问题,就是在循环过程中不可避免的产生晶界分裂,会带来安全以及寿命上的问题。 


磷酸铁锂电池,我们从这张图上可以看得出来,它的热稳定性确实要比三元体系好很多,纯材料来讲,它的分解温度要比三元体系高很多。可以看得出来,最右边的图,在热箱实验里,在180度的情况下,铁锂体系基本上不会产生热失控的现象。 


再看安全,从目前大部分行业内或者国标的测试来看,铁锂的通过率是最高的,所以目前来讲如果是做储能的话,如果从安全的角度上来讲,磷酸铁锂依然是一个最优选。 从最近这几年的铁锂体系来看,大家主要还是追求高压实路线,目前行业铁锂的压实可以达到2.65左右,前几年还是在2.4左右。铁锂原材料的厂家现在经过努力以后,把烧结工艺提升之后,可以基本上满足铁锂能量密度最大化的要求。 


 给大家介绍一下这两年比较火的磷酸锰铁锂,它在我们公司也做过了规模化的中试,我们给它的结论是能量密度确实很高,比铁锂高20%左右。理论上它是可以提高25%,但是实际上由于现在国内的供应商对铁锰的配比还有一些差别,加上它主要提高的是平台电压,所以可能感觉不明显,但我们认为它是储能体系的一个有潜力的后备。磷酸锰铁锂可能还要解决放电曲线对用电负载的问题,一般用的话,要和三元铁锰锂或者锰酸锂去混配,对这个曲线做一些优化的调整。我预估可能在明年或者后年,磷酸锰铁锂的产品会有一定的规模。 接下来再讲一下在储能体系钠电的应用场景。我们公司对钠电储能研究已经有几年的时间,其实钠电有几个优势,首先它的成本可以做的很低,从理论上来讲,它应该是可以比铁锂要起码降低成本30%以上。从它的技术路线来看,目前国内基本上是选择层状氧化物为主,普鲁士蓝和普鲁士白比较少。负极基本上就是硬碳,但是硬碳在过去的十年内,国内的硬碳技术进步不是很快,但是这两年硬碳研发和产业化速度明显加快,是因为过去的两年碳酸锂的价格涨的太快,让锂电行业的成本压力巨大,你继续做可能亏本,不做订单又不能交,所以催生了钠电的加速。


目前钠电里进步最快的是硬碳和层状氧化物,目前国内能量密度可以做到160wh/kg,循环寿命可达3000次左右。离我们对储能的要求还是有点差距,所以钠电我们还得观察,可能到今年年底到明年。 我简单讲一下结构设计方面的关键问题。现在的储能电池往大容量做的话,基本上是异端极柱,它的主要优势是散热和温升。从这张图可以看得出来,左边的图是异端极柱的,它的平均温升比同端极柱要低很多,像这种结构设计,基本上是业界比较认同的,在长宽比接近1,或者极柱越宽、极耳越宽的设计,是比较有利散热的。 现在业内都普遍应用的隔膜涂胶和极边涂胶,目的就是散热和去除毛刺,提高电池的一致性。 接下来和大家分享的是储能电芯方面成本的控制。


从这个结构图可以看得出来,这里面成本最大的就是正极,极端的情况下,可以占到57%,碳酸锂那个时候最高达到了60万/吨。现在降下来了,但占比最高的还是正极。其实我们降本的手段无非那几种,性能满足就好,不要过剩,用标准化来取代定制。因为做定制得有一个逐步爬坡的过程,还得有一个规模化的过程,所以定制比不上标准化,尽量用简单的结构取代复杂的结构,减少物流成本,从而达到电芯降本的目的。 第二是做减法,这就有很多方案了,刚才嘉宾也提到了CTC和CTP,去掉中间环节,去掉过多的导电剂,去掉不必要的电解液用量。为了减掉百分之一的用量,可能做很多试验。因为电池里要减一些东西,得考察它的寿命,所以其实电池厂大部分的开发时间就花在观察和反复验证的过程里。 给大家分享一下储能电池的寿命优化。目前来讲,从我们这次的储能大会也看得出,目的都是为了提升电芯的性价比,降低电芯生命周期的成本。这里面最关键的就是要把电池的寿命做高,这样生命周期内的成本就会低。如果你要做工商储,电池寿命没有万次以上,可能成本就控不下来,甚至亏损。 电池的寿命提升,在我们这20年的锂电发展史上,提高的确实比较快,早期的锂电池寿命就是300次、500次,三元为500-1000次,铁锂最早为1500次,现在最高可以达到万次以上,这离不开材料厂的努力,离不开电解液厂的努力,离不开设备精度和自动化的提升。


特别指出的是,我们往往忽略电池结构设计的影响,电芯做好了,但一致性没有做好,PACK结构没有做好,都会影响对电池的寿命。从我们整个对储能电池的开发来看,影响的无非就是几个:材料、结构、一致性,这是大头。根据方形、圆柱、软包的不同,调整方向还不同,每种电池的侧重点会有一些相对的区别。 谈一下我们公司现在正在做的一些有利于提升储能电池的措施,包括细到充放电的方式,很多头部企业可能也在用。也就是说,充电的时候,如果在初始阶段能够用大电流,在快充满的时候用小流量去补充,这样会相对提高电池的寿命,这就要求电池的系统设计里对充电方式做一些微调。


实际上它的基本原理很简单,当时充电的时候,快充的话,浓差极化是基本上没有,快充满的时候,从电化学的角度来讲,浓差极化就成了一个主要的控制方式,把电流减小,就有利于减少电池的损耗。 再和大家分享一下储能电池容量做大的一些优势和要避免的风险。这两年电池厂包括头部企业的电池是越做越大,都是基于一个思想,就是为了降成本,无论是单位面积的壳体的成本,还是PACK的成本,减少接插件,大家都希望把电池做大。但是做大了也有风险,电池做厚,散热不好解决,厚度从30mm做到70,80mm,中间极片的散热肯定要比边上的差,而且很难通过散热来弥补,风道设计也难以消除过大的温差,所以我们要充分认识到这个问题。增加壳体厚度,一是散热困难,降低了电解液量,也有循环不够的风险,把隔膜减薄,有短路的风险,所以做储能电池,不管是设计来讲,还是从工艺来讲,要操很多心。我这里列出的只是风险的一部分,供大家参考。 今天有很多的报告都在强调电芯大尺寸的发展方向,这是业界的共识。大尺寸碰到的各种问题,我们也得坦然面对,怎么样去解决?我认为可能要做类刀片双头极柱的电池,大家都是朝这个方向努力,纯粹的加厚或者一味在某个设计点如堆电极密度,这些都是不太可行的。


储能电池设计的优化方向就是散热、成本以及寿命得到兼顾,所以我们认为未来的方向肯定是这样。 我再和大家分享一下将来储能电池制造的工艺趋势。首先,制造趋势基本上是往自动化方向走的,数字化和高精度是自动化的基础。我们做电芯做了这么久,40%的异常发生在前端,从配料到制片,这几个工艺做好了,后面的工艺基本没有严重的异常或者说异常比较少。 对电池前段工艺里的搅拌,我认为将来的趋势一定是连续制浆,它的好处就是可靠性、效率都得到很大的提升。因为现在传统的方式是一种概率性的搅拌,每次搅拌的概率和效率是比较低的。 这是连续制浆的原理和设备。 涂布,从锂电发展的情况来看,从最早的单面涂布到现在普遍普及的双层涂布,将来也会发展到双面涂布。其实我们现在主要的设备厂都提供了双面涂布,但目前普及的还不是很高。好处是显而易见的,速度快、效率高。 激光模切也是一种趋势。 


 下面提到电池最头痛的就是杂质和毛刺控制。 我再讲一下设计里的叠片和卷绕,对储能电池来讲,尤其是方形,70%以上都是选择卷绕。卷绕有它的问题,大家可以看这张图,不管你怎么做或者采取怎样的压芯工艺,总会有变形,那种变形在小电芯或者薄的时候不明显,但是做大做厚了以后就会有这样的问题。大家看到右下角,它这种形变会带来电芯充放电过程中,锂的迁移的边缘化效应,会带来循环过程中的膨胀力的差异。如果你是做叠片,你会发现电池在循环中的膨胀力要比卷绕的小很多,这是力的影响。所以为什么现在有的锂电企业在储能电池做大了以后,它要选叠片,就是综合考虑,除了制造效率的问题,还有性能以及后期膨胀力的问题,膨胀力如果控制不好,就会把整个成品结构性的破坏。 储能电池以后的工艺发展趋势,我认为最重要的是一体化制造,其实现在大家基本上都实现了,就是把几个关键工序通过一体化设备串在一起做整合,来提高效率,减少物流。


同时,未来还可能会在某些工序上做减法,除了设计上做减法,还要制造的工步做减法,可能以后就没有搅拌了,就用干粉电极,直接通过喷溅的方式或者压制的方式,把电极全部压在箔材上。甚至有可能一致性做好了,电池就不分容了,因为分容没有太多的经济价值,如果容量的一致性的非常好,CPK达到2.0以上,取消分容是有可能的。 另外,将来电芯的制造或者说成品的制造,都会逐渐普及视觉监控或者视觉纠偏,会大大提高制造的效率。将来锂电的制造可能在将来有新的优化方式可选择,例如三维模拟生产等等,包括能耗,能耗在十年间已经降了30%,而且应该还会继续往下降。 接下来我简单介绍一下我们公司-深圳市拓邦锂电池有限公司。


拓邦锂电现在已经实现了连续制浆,一体化制造,环保工厂和节能工厂。在材料体系上,公司主要为磷酸铁锂,将来会把钠离子和磷酸锰铁锂做下一代的评估。 在电芯的应用领域,小容量的储能产品适配大圆柱电芯,公司目前生产的33140-15Ah,40140-20Ah的大圆柱电芯,可以完美匹配0.5kwh-3kwh的便携储能产品,整机寿命在2年以上,Pack体积比较小,性价比高。 


 拓邦锂电用于储能的大容量的方形电芯,设计寿命都在10000次以上,温升低,0.5C放电小于1度,1C放电小于5度,散热性能较好。100Ah方形电芯可应用在家庭储能产品上,单个模块设计为5.12kwh,根据不同用电需求串并成不同的容量,满足家庭用电需求150Ah方形电芯可应用在工商储能产品上,公司目前开发的100kWh,200kWh的标准工商储机柜产品,均采用的150Ah电芯。 


 拓邦锂电致力于成为国际一流值得信赖的锂电产品提供商,希望与业界同仁就电池技术做更多深入的交流和技术的分享,感谢大家!

转载:数字储能网新闻中心

推荐新闻
【储能新纪元】轻型动力的未来:绿色、高效、智能
【储能新纪元】轻型动力的未来:绿色、高效、智能
如何选择适合自己的储能系统?
如何选择适合自己的储能系统?
解锁家庭用电场景|揭秘四种高效的家储安装
解锁家庭用电场景|揭秘四种高效的家储安装
拓邦锂电陶芝勇:储能电池设计和工艺发展趋势
拓邦锂电陶芝勇:储能电池设计和工艺发展趋势

0755-27651888

support@topbandbattery.com

广东省深圳市宝安区石岩街道梨园工业区拓邦工业园

友情链接
拓邦集团官网 拓邦移动电源 拓邦LED

版权所有2019 @ 深圳市拓邦锂电池有限公司 备案号:粤ICP备19093080号 技术支持:中工互联

现在咨询