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动力及储能电池的材料创新

发布日期:2020/9/5 14:38:41

 新能源汽车市场持续增长带动动力电池出货量提升,电池企业、主机厂和材料企业都在通过材料体系优化和制造工艺升级等方式进一步提升电池性能和降低成本。

电池成本持续下降也为锂电池储能大规模应用提供了有利条件,不同应用场景的需求也对储能电池提出了不同的要求。

而随着锂电池保有量的持续提升,退役动力电池回收利用也获得了业内的极大关注,不过如何合理的回收退役电池、如何安全拆解、如何进行梯次利用等也是业内在进行退役电池回收利用方面必须思考的问题。

8月27日,2020先进电池材料集群产业发展论坛在深圳机场凯悦酒店继续举办,此次论坛由深圳先进电池材料产业集群主办,深圳市清新电源研究院、高工锂电、高工氢电联合承办。

现场来自锂电产业链的企业高层、行业专家、高校学者围绕“长续航、低成本和快速充电锂离子动力电池正负极材料技术”、“退役动力电池在电力储能的应用探索”、“退役动力电池综合利用技术路线及经济效益创新模式”等多个行业内热点展开深入探讨,寻路产业未来。

动力及储能电池材料创新

清华大学深圳国际研究生院副院长康飞宇在“碳材料在储能电池中的应用”的演讲中,介绍了各种碳材料的制备以及其在电池储能中的应用情况。

碳材料既可以作为储能活性材料,又可以构建能量输运网络,在锂离子电池、超级电容器、燃料电池等能量存储与转化器件中起着至关重要的作用。

康飞宇教授在演讲中分别介绍了天然石墨和硅碳负极的制备及其在锂离子电池中的应用;层次孔碳材料的设计、制备及其在锂离子电容器中的应用以及三维石墨烯的制备及其在锂硫电池中的应用的情况。

康飞宇指出,针对硅碳负极,基于优质低硫可膨胀石墨(纳米石墨片),可制备高容量纳米石墨片/碳硅复合负极材料。纳米石墨片/碳硅负极比容量达到1056 mAh/g (约为石墨的3倍),循环稳定性好。

中国科学院物理研究所教授黄学杰在“长续航、低成本和快速充电锂离子动力电池正负极材料技术”的主题演讲中表示,动力电池一直在追求高能量密度,从而导致了一系列的安全问题,所以需要更加关注电池安全,要从材料体系入手。

在长续航低成本的正极材料上,黄学杰重点介绍了高电压镍锰酸锂材料,该材料具备高电压、低成本、高安全的优势,目前已经在松山湖建立中试线。

在负极材料上,黄学杰重点介绍了锡基负极材料,该材料基于碳纳米管结合,具有结构稳定性,倍率性高,循环性能好的特点,还能进一步和硅材料结合提升比能量。目前也已经处于逐步走向产业化阶段。

深圳供电局有限公司规划建设研究中心技术专家焦丰顺博士深圳供电局有限公司规划建设研究中心技术专家焦丰顺博士在“深圳虚拟电厂实践”的主题演讲中表示,虚拟电厂(VPP)的核心研究方向为系统架构设计、资源优化调控策略和电力市场交易模式。

焦丰顺指出,深圳是电力市场改革的首批试点,盈利模式的改变促使电网企业做业务拓展。电力负荷快速增长与电力设施可用土地资源受限之间的矛盾日益凸显,从可持续发展的角度考虑,电力供需互动技术的研发与应用势在必行。

以新能源汽车为代表具有可调度潜力新增大容量负荷的快速发展,给电网安稳运行带来挑战的同时,也为虚拟电厂这类综合能源技术的发展提供了土壤。

深圳电网智慧能源技术有限公司智能电网事业部总工程师王琦

深圳电网智慧能源技术有限公司智能电网事业部总工程师王琦在题为“退役动力电池在电力储能的应用探索”的主题演讲中表示,目前国内梯次利用项目正处于示范探索阶段,尚未实现规模化工程应用。

以深圳供电局建设的一个退役动力电池整包梯次利用集中式储能示范工程为例,王琦指出,该项目所使用的退役电池早期模组设计和系统成组方案均未考虑回收利用,拆解的难度大,损耗大,如:拆卸损伤螺纹,铜极柱厚度薄无法再次打磨,锡焊无法拆解,线束易扯断,塑件破环无法替换。甚至现在最新的电池箱内部都没有模组,大量使用胶水和焊接,拆解难度更大。经最终评估,整箱利用最为经济,同时也最具研究价值。

王琦指出,退役电池梯次利用的应用场景还需进一步探索,目前来看,退役动力电池的循环寿命,与新电池相比优势不明显。参考行业内应用案例,作为备电,利用日历寿命,似乎是一条可行之路。

与此同时,新电池在电池模组、包设计时要考虑到梯次利用的需求,组装设计更灵活,便于后续拆解;上车运行数据记录更全面,便于后续筛选。

退役电池回收筛选与检测难点

中南大学副教授杨越在题为“废旧锂离子电池中有价组分高效分离与循环利用”的主题演讲中,介绍了湿法回收技术、火湿联合回收技术、短流程材料再生、石墨回收的情况。

其中,火湿联合回收技术是以废旧负极石墨做还原剂,充分利用其蕴含的热量和还原性;同时富集回收富集的锂资源;湿法火法联合工艺可充分汲取两者优点,降低回收成本。

深圳市普瑞赛思首席技术专家朱静博士在题为“梯次利用动力电池可靠性和安全评估”的主题演讲中表示,梯次利用拆解到电芯、模组、系统层级,对应的应用场景有移动充电储能、电动三轮车、基站储能和充电站储能领域等。

朱静指出,当前梯次利用电池面临诸多问题,包括退役动力电池安全测试标准缺失;动力电池全生命周期过程中缺陷放大、微滥用累计等造成的安全隐患复杂多样;电池衰减对电池安全性影响,内部变化状态恶劣;缺乏对于梯次利用电池安全的可追溯性和预测等。

在电池失效模式方面,朱静表示,机——电——热 失效相互演变,电池失效往往是多场耦合下的复合失效,而非单一因素;缺乏安全失效的外部识别参数,导致电池安全缺乏定量表征、失效诊断及预警困难。

朱静最后总结到,动力电池全生命周期中电池的耐过充能力、热稳定性、抗外短路能力随着电池的老化明显衰减;梯次利用动力电池可靠性验证要关注:电池及电池系统的绝缘、密封、接触完好性。

动力电池单体电芯的热失控及电池组热失控扩展的定量表征和致灾危害性的测量是动力电池梯次利用安全管理、灾害控制的基础数据。

在题为“工业气体在锂电池全产业链的应用技术创新”的主题演讲中,介绍了林德气体在锂电池回收过程中的应用情况。

朱珩博士介绍到,林德气体提供各种高纯气体以及气体应用技术,可以应用于整个锂电池产业链。

在电池回收方面,国内外废旧动力电池金属再生的主要技术有火法冶金技术、湿法冶金技术和直接再生技术三大类,其面临的挑战是如何防止废弃物造成环境风险,提高金属元素回收率和控制处理成本。

典型的火法工艺是采用高温还原熔炼的方法将废锂离子电池中的镍和钴以合金的形式回收,但是容易造成锂和铝等金属的损失。

而林德气体提供的火法冶金中的富氧燃烧技术可以有效解决上述问题。

华友循环战略部部长陈雄辉在题为“退役动力电池综合利用技术路线及经济效益创新模式”的主题演讲中介绍了华友钴业在锂电池回收利用方面的探索和理解。

陈雄辉表示,华友循环重视技术自主性,具备六大核心竞争力:提供规范的标准制定、绿色智能、领先的核心技术、完善的回收体系、开发精准的溯源系统和完成高等级安全防护体系。

当前,华友通过自建及与合作伙伴共建的方式在全国各大局域已建立完善的收集型和集中贮存型回收服务网点,通过两级网络的建设,全方位覆盖华北、华中、华东、华南、西北和西南等区域,能快速响应主机厂对废旧动力蓄电池及时转运的需求。

深圳市恒创睿能环保科技有限公司首席科学家张涛在题为“失效锂离子电池机械物理法处理技术与实践”的主题演讲中,围绕强化选择性破碎技术、有机物热解脱除协同强化解离技术、电极材料表面改性强化浮选技术、表面改性高速离心分选技术等展开。

张涛指出,恒创睿能研发的退役动力锂离子电池热解强化电极材料解离技术及装备单元,实现有机物脱除率达到98%,同时正负极电极材料解离度可分别提高到98.23%和98.89%。

当前,恒创睿能制造的退役动力锂离子物理法破碎回收成套装备在2018年已经产业化。2019年共处理了退役动力锂离子电池9000吨,回收塑料隔膜180吨、铜箔900吨,铝箔630吨,电极材料6400吨。

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