华中科技大学谢佳：磷酸铁锂最有望满足规模化储能应用要求

“锂电池由于产业化基础较好，且具有明显的成本优势，是众多储能技术中最具工业化推广前景的技术之一。而就锂电池材料的结构和组成来看，磷酸铁锂材料具有安全、长寿命和低成本的优势，因此磷酸铁锂电池体系在经济性和安全性上最有望满足规模化储能应用的要求。”

——华中科技大学谢佳教授

2019年9月25日第二届中国储能西部论坛在青海举办。本次会议由中国能源研究会储能专委会，青海大学，黄河上游水电开发有限责任公司，国网青海省电力公司，青海能高新能源有限公司，华能清洁能源技术研究院，中关村产业技术联盟联合会，中关村海东科技园等联合主办，青海省清洁能源高效利用重点实验室、中关村储能产业技术联盟承办。北极星储能网对论坛进行全程直播。

华中科技大学谢佳教授在论坛做了题为“低成本长寿命磷酸铁锂储能系统”的报告。

华中科技大学谢佳教授：

尊敬的史局长，尊敬的各位专家，领导，非常高兴今天有机会来到这里，特别感谢组委会，特别是梅生伟老师的邀请，刚才大家已经听到了非常精彩的梅老师的压缩空气储能，以及对微电网的系统的工作。我今天的报告给大家介绍一下电化学储能技术中的磷酸铁锂电池系统，相信大家对这个体系也非常熟悉。

我的本科和博士都是学化学的，毕业后现在工业界工作了7年，在2015年获得国家人才计划支持，回到学校，加入了华中科技大学电气与电子工程学院。我们课题组主要做两大方面的工作。一个方面，是延续我工业界的工作，因为我以前一直做磷酸铁锂材料和电池。回到学术界的第一件事，就是如何推广磷酸铁锂储能系统在规模化储能中的应用。另一方面，则是开展基础研究，主要是围绕高比能、低成本和高安全的特性，开发新型的电化学储能材料和器件，主要包括基于成本低廉的天然高分子的储能材料和器件，高比能锂硫电池，在追求高比能的同时，一定不能忘了安全特性，因此我们开发一些固态电池的关键材料和技术。感兴趣的朋友可以到我们课题组的网站去查询最新的进展。

我的报告包括三个部分：首先简单介绍一下华科电气学院的储能团队，其次分析规模化储能市场的现状与挑战，最后介绍磷酸铁锂储能系统的技术和发展思路。我们团队的负责人是程时杰院士，程院士早在20年前就提出在电力系统发展规模化储能，我们团队先后研究了物理储能和化学储能在规模化储能中的应用，团队的课题组包括了研究储能本体，储能系统控制，储能系统应用以及在含高比例可再生能源系统中的应用等多个环节。团队依托华科的电气学院和强电磁工程与新技术国家重点实验室，打造了先进电工材料与器件研究中心，主要是面向国家的重大需求开发电工新材料和器件，开展多学科交叉的研究以及应用，储能技术是其中的重点方向之一。

刚才面向规模化储能的市场与需求，大家听到了很多重量级专家的发言和报告。能源是每个人生活不可或缺的。能源在获取、传输与转化、存储与利用等多个环节都在不断的追求低碳化、清洁化和高效化。电能是一种高品位能源，美国工程院的报告指出电能的广泛应用是人类20世纪最重要的成就。电能的优势非常明显，在我们国家能源终端消费中占比越来越高。但传统电力的问题也不可忽视，电一般是即发即用的，远距离安全传输有一定的挑战，另外，它的时空分布特性不是很理想，商品的属性也常常得不到有效的发挥，而储能技术将为上述的问题提供非常有效的技术支撑。这里列举了很多可规模化储能的技术图表，没有一种储能技术能够涵盖整个图。中间我想特别指出的是电化学储能，所有这些绿色的板块，它占的比例相当大，而除了功率、能量特性以外，我们还要更多的关注它的寿命，安全，经济性和运维的方便性。我们国家对储能的需求更是迫在眉睫。2017年全国用电量已达到6.3万亿度，未来这个数子个还会不断的增加，而可再生能源的装机比例超过1/3，高比例可再生能源的供给相当于未来很长一段时间是必须要面对的挑战，弃风弃光的比例较高，有的地方报导没有弃风弃光，但实际上火电作出了很大的让步。用户侧，随着电动汽车等新型电气装备的使用，用户对用电的便捷、高效、多元要求越来越高，这些都需要储能技术。而电化学储能技术由于其灵活高效，高比能、长寿命、低成本的特点，越来越受到关注。发展高安全大容量的规模化电化学储能技术是未来的重要方向。在电化学储能技术中心，大家最熟悉也是使用最多的就是锂离子电池。自90年问世以来，不管在民用，特种都得到了大规模推广。目前已经发展到大容量，规模化储能，例如电动汽车，储能电站等等。锂电池的产业成熟，成本低廉，最有望满足规模化储能的需求。但是目前的锂电池储能系统在功能性上绝大部分套用了电动汽车电池系统的设计，在经济性和功能性上还有很大的提升空间。

此外，去年发生了非常多的储能电站的火灾事故，使大家对储能的应用产生了一定的担忧，特别是今年电网侧的储能应用踩了一定的刹车。但我个人还是非常看好锂电池储能系统的发展。举了一个类比，2018年储能市场与2011年电动汽车的市场形势非常类似，都是高速发展中发生了大量安全事故，技术路线争议较大，产品和企业的盈利能力较差，但未来市场的容量和增长空间巨大，目前的技术积累和市场铺垫必将在未来5-10年获取巨大的收获。从技术路线出发，应该注重技术的安全性和经济性上，是否能满足大规模储能的需求，这里会重点介绍一下为什么我这么看好磷酸铁锂电池储能术。

目前大容量的锂电池中应用最成熟的是三元和磷酸铁锂体系。而回到锂电池的基本原理，主流的锂离子电池的负极，隔膜和电解液都比较类似，在这种情况下，正极材料的结构和组成，很大程度上决定了电池的特性。首先磷酸铁锂材料是橄榄石结构，在充放电前后，结构变化小，寿命长，热稳定性远好于其他正极材料。安全性和寿命上磷酸铁锂电池是最好的选择。从组成上看看，磷酸铁锂主要是铁和磷，三元材料含有镍和钴，因此规模化推广，磷酸铁锂材料在经济性也是最好的。从简单的逻辑出发，如果使用锂电池储能，磷酸铁锂一定是首选。另外，从安全性角度分析，从我国的电动汽车事故分析发现，采用三元电池体系的占60%，而用磷酸铁锂电池的只有11%。韩国三元电池技术非常成熟，但是采用三元电池的储能电站发生了20多起事故，远超过中国。就在昨天又有一起起火事故。三元电池目前都还没有成熟使用在电动大巴上，为什么可以用在规模更大的储能电站上。所以，采用磷酸铁锂的储能电池路线是从经济性和安全性层面出发最好的选择。

尽管如此，就磷酸铁锂储能系统，还需要进一步去提高它的经济性和安全性。首先我觉得要去提高电极的比能量，因为高比能的电极可以从提高比能量的角度降低成本，另外需要考虑材料的再生利用，降低材料成本。而安全性上主要是从提高电池本征安全性出发。

例如，我们课题组和和美国的马里兰大学合作开发的具有低孔弯曲度的直孔电极，这个概念将电极厚度提升了10倍，单位面载量比商业化锂电池正极提高3倍。另一方面，石墨负极通过预锂化技术可以直接提高7-10%容量，我们课题组开发的对潮湿空气的金属锂技术就可以作为预锂化材料使用。通过一个很简易的方法和廉价的材料，可以快速在金属锂表面形成保护膜，不仅有利于锂的均匀沉积，还大幅度提高对水分的稳定性，在80%湿度的空气中暴露3个小时后再装到高比能电池中，仍可以稳定循环。这两个技术结合，有望使能量密度再提升到30%以上，成本可以下降20%以上，对规模化储能还是很可观的。

另外提高电池本征安全性可以从阻断电池热失控，阻止电池模组的热失控扩展以及系统层面的防护预警出发，我相信这些技术结合新型灭火技术能较好的解决规模化储能系统的安全性问题。此外在电能变化装置上和电力电子技术上也有很大的提升空间。综合来看，我们今年通过和产业界的合作，也开展了一些应用和成果转化的工作。为储能定制开发了能量密度大于150Wh/kg，长寿命和低成本的磷酸铁锂电池和模组。开发的集装箱式储能系统价格已经低于1500元/kWh，2年内有望降到1000元/kWh。

总的来说，电化学储能是储能技术中的一种，由于产业成熟度高，在规模化储能市场有较好的应用前景，电力系统因为大规模的可再生能源的接入，也正在经历“源-网-荷-储”多层面的结构性变革。我非常看好中国在综合能源系统上的发展，需要强调的是，我们进入到了能源系统变革的领域，需要完全走自主创新的路线，我们国家是能源消费大国，我相信不久的未来，也必将考我们自己的努力，成为能源创新强国。谢谢大家！