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2021年电化学储能十大技术新动向

作者:中国储能网新闻中心 来源:储能100人 发布时间:2021-01-10 浏览:
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如今的储能行业正处于彼此诘难、相互争鸣的春秋战国时代。

上到电池技术,下到工程应用,当前的电化学储能尤其是锂电储能技术进入了一个新的变革周期,大电芯、高电压、水冷液冷等新产品新技术逐渐登上舞台,储能系统向大容量方向在持续演进。

身处其中的行业人士或许能够深刻体会到,企业和专家们时常也会就某种技术展开激烈的交锋。这也说明各种技术路线的发展前景还存在巨大的不确定性,但有争论才有发展,有质疑才会进步。

新的一年,新的画卷正在徐徐展开。“储能100人”梳理了行业10大热点技术动态,供各位读者参考。如有不当,请批评指正。

技术一

大电芯

动力电池类型有圆柱、软包、方形三种,从最早的18650圆柱电池开始,到来出现的方形铝壳电池和软包电池,这些技术的演变主要是为了把单个电池的容量做大。

2020年,宁德时代号称8000次循环寿命的280Ah储能专用电芯开始规模化量产;另一电池巨头比亚迪302Ah的储能电芯也即将面市。

巨头们的频频布局表明,大电芯正成为未来的发展方向之一。

众所周知,65Ah是当前电池行业的一个基本门槛,把单体电芯做大,需要解决两大挑战:一是电芯鼓胀问题,二是电芯散热性能变差。

其中电芯散热性能变差问题尤其突出且难以通过常规技术手段解决,“水冷+散热器”的方式对于单体大体积电芯的散热改善效果有限,通过增大电芯散热表面积和改善电芯材料导热性能应该成为电池企业的研究重点。毕竟,电芯温度直接影响电池寿命。

中国科学院电工研究所研究员陈永翀曾撰文指出,储能需要大容量或大功率工作的大型电池,要脱离小型电池的设计思路,还需要一些根本性的、颠覆性的创新突破,用以适应不同储能场景的应用需求。

技术二

1500V

1500V绝对是当下储能行业最热门的话题之一。

年初,阳光电源宣布将其在海外征战多年的1500V储能技术向国内移植;在下半年的各大展会上,逆变器背景的储能企业科华、特变基本都推出了1500V储能系统解决方案。

高电压因其在光伏行业“降本增效”显著,因此也成为不少储能企业纷纷布局的技术方向。高电压系统有三方面的优势:一是与1500V光伏系统相呼应;二是系统能量密度和能源转换效率会大幅提高;三是系统集成成本、集装箱、线损、占地和施工成本会大幅减少。

有业内人士认为,高电压是必然趋势,在系统方面,已经有光伏行业的经验积累做铺垫,目前主要瓶颈是电池系统及部件等需要完善。

技术三

PCS大功率

全球范围内,百MW级甚至GW级大容量储能电站的出现,应用于电网侧的PCS的平均额定功率将会越来越大。

目前各厂商储能变流器主流功率包括200kW、250kW、500kW、630kW。

2020年上半年有厂商推出1.25MW,1.5MW储能变流器;2020年年底,科陆首次将单机功率容量提升至3MW,该系统也是国内首个获得CGC证书的3MW级的储能变流器。

支持者认为,对于大功率的PCS来讲,在大规模储能上有非常好的成本优势和方案优势。从目前的走向来看,高功率密度、大发电单元、低集成成本是主流方案,也是主要手段。

技术四

高压级联

2018年,智光在行业率先推出高压级联储能系统解决方案,无需采用升压变压器即可实现6-35kV等级电网与电池能量的直接交换。

与传统储能方案相比,级联型储能方案的直流通道数大幅增加,总电量相同情况下,级联型系统每个通道内的电量大幅降低,电池数量大幅减少,可消除电池并联,对电池一致性的纠偏能力更强,电池系统安全性更高。

不管对客户还是同行来说,高压级联都是一个新的技术。有业内人士认为,高压级联对生产企业在耐压和绝缘技术水平的研发设计考验很大,对电池寿命也有潜在影响。

智光认为,级联型高压储能技术在系统效率、响应速度、电池寿命、工程建设等方面具有得天独厚的优势。

2020年越来越多的企业开始布局高压级联方案,其中新风光电子和威凡高科相继推出了相关产品,高压级联会成为未来的发展趋势吗?

技术五

调频1C

继珠海横琴项目之后,华电韶关、华电坪石、上海外三电厂的火储项目开始采用铁锂1C系统。

其实从电池角度来看,大容量的磷酸铁锂电池储能系统不适合2C倍率充放,但迫于当前多变的政策环境,大家都尽可能在最短的时间内收回投资成本,无人关心全生命周期内(10年)度电次成本。

出于安全、成本等各方面因素的考虑,比亚迪已经停止了2C铁锂电池在储能领域的供货。

与2C方案相比,除了BMS、PACK、线束、温控、集装箱、消防、施工等成本有所增加外,最大的成本来自于电池。

在多位业内人士看来,短期内调频领域技术路线仍将以锂电为主。从安全可靠性和电池回收环保等多方面考量,铁锂1C是更为稳妥的选择。

技术六

BMS芯片化

BMS在储能系统中扮演感知的角色,大量数据的接入,要求储能BMS控制单元具有复杂的协议处理能力和快速响应能力。

以高特电子和协能科技为首的BMS企业力在推自主研发的芯片,高特电子前端采集电路芯片2018年进入批量应用,主动均衡芯片在2020年下半年量产。

高特电子总经理徐剑虹表示,高特的目标是到2025年把芯片放到电芯内,届时BMS将不复存在。

不过也有业内人士认为,储能BMS产业芯片化最终一定是行业发展到某个极其成熟的阶段,在BMS系统的个别功能模块上才会走的道路,不是BMS厂家的主攻方向,BMS厂家这样的跨界只会越走越窄,产品越做越不成熟,容易误导BMS行业,甚至影响储能行业。

技术七

刀片/CTP集成技术

在提升电池系统能量密度方面,当前电池企业的主流方式是在PACK结构方面进行优化。比亚迪、宁德时代、国轩高科三家企业最新推出的刀片电池、CTP电池包和JTM集成技术,可以减少模组级的结构件,简化电池包上的装配支撑结构,使得电池包结构大幅简化,从而形成了电芯-电池包的两级集成方案,体积利用率最高或将提高50%,系统能量密度提升显著。

目前比亚迪在今年已经对其旗下所有乘用车车型换装刀片电池,随着比亚迪刀片电池产能逐步爬坡和其它车型上市销售,其刀片电池的装机电量有望进一步增长。

宁德时代自去年发布CTP技术以来,其生产的LFP/三元电池体系的CTP电池包已经配套多家本土主机厂的多款车型,并配套了多家欧洲商用车企业,表明CTP方案已经获得了众多主机厂的认可,或将成为未来动力电池技术的主流之一。

不止于此,这些新技术也将逐渐应用于储能产品。也就是说,未来的储能产品在基于安全的前提下,还将继续带来能量密度的大幅提升。

技术八

液冷技术

按照热量传递的介质不同,储能电池冷却系统可分为:空冷、直冷和液冷。目前国内的电储能系统温控主要以空冷技术为主。

所谓液冷技术,就是利用冷却液比热容大且通过循环可以带走电池系统多余热量的性能,实现电池包的最佳工作温度条件。

液冷技术分为全表面液冷技术、底板液冷技术和沉浸式液冷技术。“储能100人”了解到,目前国内大型储能企业都在积极导入液冷技术。

液冷技术的高效制冷效果,可以通过大幅减小电池温差从而提升电池系统的稳定性、效率及使用寿命,同时可提升单位空间部署密度,高度节省空间。此外,液冷噪声超低,环境友好,能更好地确保电池在最佳温度范围内运行,提高储能系统的安全性。

技术九

钠离子电池

在未来与锂离子电池的PK中,钠离子电池被寄予厚望。

2020年,美国能源部明确将钠离子电池作为储能电池的发展体系;欧盟储能计划“电池2030”项目将钠离子电池列在非锂离子电池体系的首位。

其实,钠离子电池与锂离子电池是同属于一个时期发展起来的。但钠离子电池却一直发展迟滞,其重要原因就是没有找到合适的负极材料,让钠离子变身为低成本、可实际应用的电池。

目前,全球已有超过二十家企业正在进行钠离子电池产业化的相关布局,国内中科海钠、钠创新能源、星空钠电研发的钠离子电池已经开启商业化试验。

中科海钠全球首款具备自主知识产权的钠离子电池实现量产,目前电芯产能可达30万只/月,能量密度已接近150Wh/kg、循环寿命达4500次以上,高低温性能优异、安全性高、具备快充能力。

虽然钠离子电池在理论上相比于锂离子电池具有一定的价格优势,但是由于钠离子电池采用的材料成本的限制,使得现阶段钠离子电池在成本上远远高于锂离子电池。

技术十

混合储能

由于单一技术路线受限较多,混合储能系统(HESS)指的是几种不同类型的储能系统的混合应用,其共同点是将两种或多种类型的储能组合在一起形成一个单一的储能系统。

目前主要有以下组合:热储能+电池,不同技术类型的电池+电池,超级电容器+电池,飞轮+电池。

经过两年多的坚持与探索,“飞轮+锂电混合储能”模式在新能源场站调频领域的应用取得实质性进展,在国内已有示范项目落地。

但混合储能系统仍然面临着不利因素,例如混合系统本身会有更复杂的电源管理要求,目前的混合储能系统的平均成本还没有一些具体数据。混合储能系统是机会还是风险?人们对其未来的发展也有着不同的预测。

关键字:储能电池

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