鋰基儲(chǔ)能材料在低碳交通中的關(guān)鍵應(yīng)用

文_唐儀 鄒洪濤 沈志萌

1 黔南民族師范學(xué)院 2 湖南龍聯(lián)環(huán)保科技有限公司

1 選題背景

近年來(lái)世界范圍內(nèi)把綠色產(chǎn)業(yè)當(dāng)成推動(dòng)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行重點(diǎn)扶持，日本、德國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家也不約而同地將低碳交通領(lǐng)域的尖端技術(shù)列入國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略方向，部分技術(shù)還被列入了禁止出口的名錄。宣傳低碳理念、打造低碳城市、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)是當(dāng)前的必然選擇。為解決環(huán)境污染和化石燃料短缺這兩大社會(huì)十分關(guān)注的問(wèn)題，可以利用鋰基儲(chǔ)能材料在城市公共交通動(dòng)力源領(lǐng)域方面的相關(guān)技術(shù)發(fā)展，從汽車的動(dòng)力源這一領(lǐng)域入手，推出新能源綠色交通工具如鋰電池電動(dòng)汽車、鋰電池電動(dòng)城市公交車和鋰電池電動(dòng)地鐵巴士等。鋰電池是這些綠色交通工具的核心能源和動(dòng)力系統(tǒng)，而鋰基儲(chǔ)能材料廣泛應(yīng)用于其中，不僅緩解了能源短缺的問(wèn)題還促進(jìn)環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展，進(jìn)一步提升了綠色出行裝備水平。

2 主要鋰基儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理

2.1 鋰金屬電池

鋰金屬電池是用金屬單質(zhì)鋰作為電極負(fù)極材料的一種儲(chǔ)能電池，主要以電子傳遞產(chǎn)生電流，比能量極高，早期分為一次性電池和可充電鋰電池，但在可充電鋰電池發(fā)生事故以后，可充電鋰電池處于停用狀態(tài)。而紐扣電池等一次性鋰金屬電池是不可充電的，存在成本高和環(huán)境污染等問(wèn)題。近年來(lái)，隨著人們對(duì)高能量密度電池的需求，我國(guó)開(kāi)始投入到鋰金屬電池的研究當(dāng)中。隨著技術(shù)的發(fā)展，鋰金屬電池以其工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)較低和能量密度大等優(yōu)點(diǎn)，正逐漸發(fā)展成為現(xiàn)有以鋰離子電池為主的高能量密度儲(chǔ)能體系的重要補(bǔ)充。

鋰金屬電池的儲(chǔ)放電功能的實(shí)現(xiàn)，在電解液的作用下形成電勢(shì)差，作為陰極的金屬鋰失電子，而其他無(wú)機(jī)或者有機(jī)化合物作為陽(yáng)極獲得電子，進(jìn)而形成電流。

2.2 鋰離子電池

鋰離子電池是由鋰金屬電池演化而來(lái)，以鋰合金金屬氧化物作為負(fù)極材料，而正極材料通常為化學(xué)性能穩(wěn)定的石墨，使用非水電解質(zhì)的一種電池。經(jīng)過(guò)數(shù)十年發(fā)展，鋰離子電池的性能已經(jīng)得到了普遍提高，成為生產(chǎn)生活中最主要的化學(xué)電能供給形式。其中，負(fù)極材料對(duì)鋰離子電池的性能起決定作用。鋰離子電池具有循環(huán)壽命高、比能量大、自放電小、電壓高等特點(diǎn)，故應(yīng)用廣泛。市面上的鋰離子蓄電池，不僅性能良好，而且最重要的是綠色環(huán)保。當(dāng)前，社會(huì)對(duì)高效能電源的需求急劇增長(zhǎng)，鋰離子電池已成為主力軍。

鋰離子電池主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作，通常稱為“二次電池”。在充放電過(guò)程中，Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌。充電時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。鋰離子處于從正極→負(fù)極→正極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就在搖椅兩端來(lái)回運(yùn)動(dòng)，所以鋰離子電池又叫搖椅式電池。

2.3 鋰聚合物電池

鋰離子聚合物電池是由鋰離子電池演化而來(lái)，鋰聚電池和鋰離子電池最大的差異是電解質(zhì)不同，是一種化學(xué)性質(zhì)的電池。具有能量高、小型化、輕量化的特點(diǎn)。在快充電技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，相對(duì)鋰離子電池來(lái)說(shuō)，鋰聚合物電池更為安全和耐用性高，而缺點(diǎn)是其充電電容量較小。鋰聚合物電池在高端和中端設(shè)備中得以廣泛應(yīng)用，在智能手機(jī)行業(yè)正在慢慢取代鋰離子電池。

鋰聚合物電池有液態(tài)鋰離子電池（LIB）和鋰聚合物電池（PLIB）兩類。其中，液態(tài)鋰離子電池是指Li+嵌入化合物為正、負(fù)極的二次電池。正極采用鋰化合物L(fēng)iCoO2，LiNiO2或LiMn2O4等材料的方案市場(chǎng)化程度較高，應(yīng)用最為普遍；而負(fù)極采用鋰-碳層間化合物L(fēng)ixC6。

典型的鋰聚合物電池釋放電能化學(xué)反應(yīng)體系詳見(jiàn)圖1。

圖1 鋰聚合物電池放電時(shí)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程示意圖

3 鋰基儲(chǔ)能材料在低碳交通中的應(yīng)用

3.1 綠色出行方式的推廣和普及

綠色出行是指采取相對(duì)環(huán)保的出行方式，通過(guò)碳減排和碳中和實(shí)現(xiàn)環(huán)境資源的可持續(xù)利用和交通的可持續(xù)發(fā)展。要想倡導(dǎo)低碳理念，離不開(kāi)綠色出行方式。汽車的發(fā)明帶來(lái)了出行的高效和便捷，但同時(shí)也產(chǎn)生了環(huán)境污染和能源消耗問(wèn)題。汽車是二氧化碳主要的排放源之一，全球交通耗能常年僅次于工業(yè)用能，增長(zhǎng)速度居各行業(yè)之首。一輛公共汽車約占用3 輛小汽車的道路空間，而高峰期的運(yùn)載能力是小汽車的數(shù)十倍。它既減少了人均乘車排污率，也提高了城市效率。而地鐵的運(yùn)客量是公交車的7 ～10 倍，耗能和污染更低。因此，要從路程、經(jīng)濟(jì)、便捷、時(shí)間等多個(gè)維度考慮，綠色出行是解決環(huán)保、交通等多項(xiàng)社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題的有效途徑。

中國(guó)向世界承諾二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。碳中和意味著在2060年以前，燃油車輛將被電動(dòng)汽車或氫燃料汽車全面以代之，電力驅(qū)動(dòng)型汽車逐漸替代傳統(tǒng)化石燃料汽車已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。在綠色出行方式的推廣和普及上，要大力推進(jìn)綠色車輛規(guī)?；瘧?yīng)用，加快充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，構(gòu)建便利高效、適度超前的充電網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)，大力培育綠色出行文化，進(jìn)行綠色出行宣傳和開(kāi)展“無(wú)車日”活動(dòng)。

3.2 鋰電池成為新能源交通工具的核心能源

3.2.1 鋰電池電動(dòng)私人汽車

鋰電池電動(dòng)汽車是指以動(dòng)力電池作為汽車的核心部件和主要驅(qū)動(dòng)力的機(jī)動(dòng)車輛，常被稱為新能源汽車，普遍采用高性能、循環(huán)壽命長(zhǎng)、成本低的鋰離子電池。面對(duì)日趨嚴(yán)峻的能源形勢(shì)和巨大的減排壓力，節(jié)能環(huán)保的新能源汽車代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油汽車是必然發(fā)展趨勢(shì)。在國(guó)家政策的支持下，我國(guó)新能源汽車產(chǎn)量快速增長(zhǎng)，未來(lái)我國(guó)將成為全球最大電動(dòng)汽車及動(dòng)力電池消費(fèi)市場(chǎng)。鋰離子電池以其優(yōu)異的電性能、無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，是公認(rèn)的最具發(fā)展?jié)摿Φ碾妱?dòng)汽車用動(dòng)力電池，未來(lái)具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。2020 世界新能源汽車大會(huì)指出，新能源汽車產(chǎn)業(yè)正進(jìn)入加速發(fā)展的新階段，不僅為各國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)注入強(qiáng)勁新動(dòng)能，也有助于減少溫室氣體排放，集聚全球智慧和力量，加速突破新能源汽車市場(chǎng)化障礙，加快推進(jìn)“電動(dòng)化、智能化、共享化”融合發(fā)展。

3.2.2 鋰電池電動(dòng)公交車

公交系統(tǒng)作為城市交通中使用最為普遍的交通工具，也是城市空氣污染的重要來(lái)源。在此背景下，隨著化石燃料存儲(chǔ)量的日漸衰竭和世界各國(guó)節(jié)能減排戰(zhàn)略的提出，電力驅(qū)動(dòng)型汽車正逐漸替代傳統(tǒng)化石燃料汽車進(jìn)入市場(chǎng)，而電力驅(qū)動(dòng)型公交車也日漸成為新型公交車的發(fā)展趨勢(shì)。

3.2.3 鋰電池兩輪電動(dòng)車

為規(guī)范電動(dòng)自行車和電動(dòng)摩托車的生產(chǎn)和使用,中央及地方各級(jí)政府部門專門發(fā)布了《電動(dòng)自行車安全技術(shù)規(guī)范》（GB17761-2018）（一般稱為“新國(guó)標(biāo)”）和《電動(dòng)摩托車和電動(dòng)輕便摩托車通用技術(shù)條件》（GB/T24158-2018）等多項(xiàng)法律規(guī)章。根據(jù)《新國(guó)標(biāo)》技術(shù)規(guī)范，兩輪電動(dòng)車可劃分為三類：電動(dòng)自行車、電動(dòng)輕便摩托車、電動(dòng)摩托車。

2020 年，中國(guó)兩輪電動(dòng)車銷量達(dá)4760 萬(wàn)輛，根據(jù)《新國(guó)標(biāo)》的規(guī)定，從過(guò)渡期之后的2021 年開(kāi)始，超標(biāo)兩輪電動(dòng)車開(kāi)始集中清退，為此主要生產(chǎn)廠商集中到了雅迪、愛(ài)瑪、小刀等頭部企業(yè)，各符合新國(guó)標(biāo)要求的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)方紛紛制定了兩輪電動(dòng)車巨量銷量目標(biāo)，也推動(dòng)了高性能鋰電池的普及和應(yīng)用。同時(shí)，共享電動(dòng)自行車團(tuán)體運(yùn)營(yíng)政策，也為兩輪電動(dòng)自行車共享出行提供了更穩(wěn)定的發(fā)展環(huán)境。

3.3 鋰基材料儲(chǔ)能電站為低碳交通提供新型儲(chǔ)能解決方案

3.3.1 大型電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)在低碳交通中的保障作用

儲(chǔ)能是解決新能源風(fēng)電、光伏間歇波動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)“削峰平谷”功能的重要手段之一，在大型電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能領(lǐng)域作為鋰離子電池新興應(yīng)用場(chǎng)景也越來(lái)越受到重視。中國(guó)光伏裝機(jī)容量、年發(fā)電總量居世界首位，而鋰電儲(chǔ)能在可再生能源并網(wǎng)、用戶側(cè)、電網(wǎng)側(cè)以及輔助服務(wù)四個(gè)最重要的領(lǐng)域發(fā)揮著更重要的作用，目前商業(yè)化程度較高的鋰離子電池儲(chǔ)能電站應(yīng)用場(chǎng)景主要包括儲(chǔ)能應(yīng)急電源車、儲(chǔ)能固定電站和通信備用電源。

3.3.2 鋰基材料儲(chǔ)能電站的基本技術(shù)方案及相對(duì)優(yōu)勢(shì)

應(yīng)急鋰電儲(chǔ)能車或兆瓦級(jí)鋰基材料固定儲(chǔ)能電站的工作原理都是通過(guò)逆變器將大功率的鋰離子電池組直接轉(zhuǎn)為單相、三相交流電。平時(shí)只需自由選擇充電時(shí)段對(duì)電池組充電，當(dāng)鋰離子電池組充滿電后，可隨時(shí)調(diào)用。儲(chǔ)能電池是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)不可缺少存儲(chǔ)能電能部件，其重要功能是存儲(chǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能，并在日照量不足，夜間以及應(yīng)急狀態(tài)下為負(fù)載供電。

（1）鋰基材料儲(chǔ)能電站基本工作原理

充電。應(yīng)急鋰電儲(chǔ)能車或兆瓦級(jí)固定儲(chǔ)能電站，快慢速充電方式是通過(guò)選擇不同的充電電流，控制充電時(shí)間的長(zhǎng)短。當(dāng)智能化管理系統(tǒng)監(jiān)控檢測(cè)到任何一個(gè)單體鋰離子電池電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，則自動(dòng)終止對(duì)電池組充電。

放電。一般是根據(jù)用戶要求設(shè)置應(yīng)急儲(chǔ)能車或兆瓦級(jí)固定儲(chǔ)能電站專門設(shè)計(jì)大功率三相輸出接口和常規(guī)單相輸出插口兩種。

（2）鋰基材料儲(chǔ)能電站基本技術(shù)方案及相對(duì)優(yōu)勢(shì)

儲(chǔ)能應(yīng)急電源車由鋰離子電池組、逆變器、電池管理系統(tǒng)等組成，平時(shí)只需自由選擇單相或三相交流電對(duì)電池組充電，當(dāng)電池組充滿電后，可在一年內(nèi)隨時(shí)調(diào)用。常見(jiàn)的100kW、1000kW、5000kW、兆瓦級(jí)移動(dòng)式應(yīng)急儲(chǔ)能車可用于國(guó)防軍事領(lǐng)域、民用救災(zāi)搶險(xiǎn)或大型公共活動(dòng)場(chǎng)所供電。

儲(chǔ)能固定電站一般由鋰離子電池組及BMS 管理系統(tǒng)、PCS 變流系統(tǒng)、EMS 能量監(jiān)控系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)（包括溫控、消防等）組成。儲(chǔ)能電站結(jié)合新能源發(fā)電系統(tǒng)，成為獨(dú)立微電網(wǎng)的分布式電源。適用于無(wú)電、缺電地區(qū)供應(yīng)可靠電源，也可以為大電網(wǎng)供應(yīng)移峰填谷和調(diào)峰調(diào)頻服務(wù)，電池儲(chǔ)能電站可與分布/集中式新能源發(fā)電聯(lián)合應(yīng)用，是解決新能源發(fā)電并網(wǎng)問(wèn)題的有效途徑之一，將隨著新能源發(fā)電規(guī)模的日益增大以及鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展，成為支撐我國(guó)清潔能源發(fā)展戰(zhàn)略的重大關(guān)鍵技術(shù)。

（3）通信備用電源

通信備電的市場(chǎng)重要包括兩部分，一是新建基站的儲(chǔ)能構(gòu)成每年市場(chǎng)的增量；二是存量基站電池的到期替換構(gòu)成每年市場(chǎng)的基礎(chǔ)量。

中國(guó)鐵塔公司宣布自2018 年起不再采購(gòu)鉛酸，考慮到梯次電池規(guī)模不足以滿足，因此在2020 年前后會(huì)有一波鋰電采購(gòu)替換的需求集中出現(xiàn)。再加上每新建5 ～10 萬(wàn)個(gè)基站，將帶來(lái)1.2 ～2.4GWh 的鋰基材料儲(chǔ)電需求，合計(jì)將有每年10GWh 左右的電池需求，由鐵鋰離子電池和梯次利用電池滿足。

3.3.3 鋰基材料儲(chǔ)能電站的技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)展望

到2020 年中國(guó)對(duì)于動(dòng)力鋰離子電池能量密度的指標(biāo)是300Wh/kg，隨著國(guó)家補(bǔ)貼的退坡，鋰基材料儲(chǔ)能電站將面臨新一輪技術(shù)快速變革。

正極材料方面，新一代高比能鋰離子電池正極材料的研發(fā)重點(diǎn)放在了富鋰錳基材料方面，鋰硫電池正極利用雙“費(fèi)歇爾酯化”的模塊組裝方法，將分散的導(dǎo)電碳組裝為橢球型的微米超結(jié)構(gòu)，電池能量密度達(dá)到545Wh/kg；新型負(fù)極材料方面，技術(shù)主攻方向?yàn)闊o(wú)黏結(jié)劑電極，通過(guò)提供更多電化學(xué)位點(diǎn)來(lái)提高電極比容量；安全性方面，研制出溫度敏感電極、陶瓷高強(qiáng)隔膜、安全電解質(zhì)等顯著提高了電池的本征安全性。還研制出基于納米TiO2與離子液體的新一代凝膠固態(tài)電解質(zhì)，具有高室溫電導(dǎo)率與顯著的安全性（1300℃/60s不燃）；回收再生和再利用方面，天然有機(jī)酸綠色高效回收技術(shù)，鈷、鋰、鎳的浸取率達(dá)到92%以上，廢舊電池的負(fù)極，由于碳價(jià)格不高，轉(zhuǎn)而主攻做成了碳吸附劑，可以用來(lái)吸附磷，回收材質(zhì)含磷量高達(dá)588mg/g。