关于储能锂离子电池关键材料、应用及失效模式的研究

4月24-26日，由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会主办的第九届中国国际储能大会在浙江省杭州市洲际酒店召开。在4月25日下午的“储能电池与技术应用（下）”专场，来自哈尔滨工业大学的王振波教授在会上分享了主题报告《新形势下的储能应用》，以下为演讲实录：

王振波：下面是我的报告，我是来自哈尔滨工业大学的王振波，我的报告题目是“储能锂离子电池关键材料、应用技失效模式研究”。

我从以下六个方面给大家介绍我的报告内容：

大家都知道，昨天秘书长说了一些整个储能的分布，我们2017年整个电化学储能是1.6GWh，今年我们增加到了6.5GWh，增加到了3.5%，去年是1.1%，有3倍多的增加，所以储能的增长趋势还是很快的。

从2018年前三个季度来看，电化学储能由于自身比较灵活、且对场地等的适应性好的特点，所以增长速度非常快，比如2018年前三个季度就已经达到了4037MW，总体上来说增长速度是非常快的。从目前来说，2017年新增的装机来看，前十的国家应该是美国、澳大利亚等，我们国家排到了第五位。

这是全球储能技术的供应商排名，今天是南都的主场，南都在我们国家整个储能领域市场占有率是比较棒的，前两位是LG化学和三星SDI。

从所有二次电池中，锂离子电池由于它自身的特点，在整个储能领域是非常受欢迎的。2017年全球的化学储能整个装机59%是锂离子电池，2017年新增的93%是锂离子电池；2018年这次储能会之后秘书长可能会公布更新的2018年的数据。从2011年—2017年整个全球的锂电市场发展来看，锂电池由于成本、技术、政策等原因，市场可以说还处于导入期。预计“十三五”末期能达到千亿的市场，甚至在不久的将来化学储能能达到万亿的市场，我认为这个预测太过于乐观了。我们应该理性的看待储能这样一个市场。的确是在增加、的确是在发展，但是我们不能把它看的乐观了。

接下来是我自己的工作，我们在材料上，对于这种材料大家都不陌生，目前523还是主流产品，622大家也在用，811科技部一直在推，我们在这里也做了一些工作，比如说我们把截止电压提升到4.6V，它的克容量就有大幅提升。我想这种材料会在我们的锂离子电池市场还会有更大的发展空间。我们也对它进行相关的，比如用钛、钼也进行掺杂处理，可以做到500个循环，容量保持率还有89%。

如何提高电池能量密度，为什么我们现在的手机电池一直是钴酸锂电池？就是因为我们的钴酸锂正极材料压实密度能做到4.5g/cm3以上，而我们三元电池正极材料做到3.6就已经是大限了，所以我们如何提高压实密度是我们要做的事情。我们这里也做了一些工作，大颗粒核和颗粒进行复配，在一定程度上提高它的振实密度。这种方法为企业既节省了原材料，又创造了效益，同时把企业的废料很好的利用上。

这是我们在长26米的炉子上，自己烧的一些工业化的产品，目前我们有一些出货，克容量155mAh/g，这是在3安时左右全电时做的，1000次循环容量保持率大于83%。

622三元材料未来也应是一个很好的正极材料，现在我们国家一直在推高比能量的正极材料，因为要达到300瓦时/公斤，所以好多企业想从523一步跨到811或者NCA。但是这里还会存在着很多很多的问题，所以我们还是要回过头来想办法把我们的产品一步一步的，因为科学发展是有规律的。所以我们想622的这种产品未来有没有可能取代523呢？是有可能的，所以622我们也做相关的这方面的技术准备，对整个锻造工艺技术等做相关方面的研究。

NCA三元材料可能更合日韩的胃口，特斯拉电池用的就是这种正极材料；但是对于我们国家还是有问题的，因为我们的锂离子电池生产制造过程中，过程管理和控制还有很多需要解决的问题，尤其是水分的控制，国内企业无论如何都达不到NCA所要求的这种低水含量要求，因此我们国家退而求其次，采用的是811路线，但是NCA材料未来会有很大的应用前景的。

我们现在也在做无钴的材料，5V的高压镍锰酸锂正极材料，没有钴元素，电压平台达到4.75V，我们在实验室已经做到了5C/3000次的循环，容量保持率达76.2%。我们也可以根据市场的需要来做不同的产品，比如我们做球形的、中空的或者多孔的材料，未来这种材料可能“十四五”期间会是很好的发展，我们也在做全电极，希望正、负极、电解液等有很好的匹配性。目前电解液确实是非常难的问题，材料做好了，但是和整体上相匹配也是很大的问题。

除了它之外我们“十四五”期间还会干什么呢？离产业化最近的就是富锂锰基正极材料。我们实验室3C充放电条件下，400次循环，容量保持率达87.7%。“十四五”期间这种材料会有很好的发展前景，无论和硅碳配合，还是和石墨配合，都可以达到300、320甚至350瓦时/公斤的能量密度。但它存在的致命弱点也是和电解液如何匹配的问题。

在锂离子电芯研发方面，我们企业合作做了一些工作。

这是磷酸铁锂和碳匹配锂离子电池性能参数，低温在零下20度，1C放电时还可以放出常温的75%左右。这是4000次的充放电曲线，一致性还是很好的，还剩81%。我们用三元的做到220瓦时/公斤，也可以实现3C充、8C放这样一个充放电倍率，可以做2500次，容量保持率为87%。低温、高温、倍率上都有很好的表现。这是两只电池，循环是2500次，容量保持率都在85%左右。这是我们做的钛酸锂电池，可以实现15C充放，7800次，容量保持率为81%。这样的电池对我来说不会是大众产品，可能是小众，在某些领域会有很好的应用。

如何能做好一个电池？我们做了很多这方面的研究工作，其实影响因素非常非常多，如何把整个技术和成本控制好，是一个非常关键的问题。

这里我们做了很多的工作，比如我们做了一些正、负极匀浆分散的影响。包括整个浆料组成、匀浆工艺等对性能影响是非常大，如果我们做得好的话正极可以是光亮无颗粒、柔性很好的，但是做的不好就会出现很多很多的问题，都会影响锂电池最终的性能。

此外我们在电池装配比方面也做了一些工作，装配好可以做到1千次以上，如果做的不好，前期容量很高，但是循环性能却是很差。

这是电池的装配情况，整个不平整了，而且中间存在缝隙，这样一定会影响电池的性能。而日本汤浅卷绕电池，中间是鼓的、两边是凹的，这个软包电池两边已经发生收缩了，所以整个电池出现了凹陷，性能也会有很大的下降。

在整个电芯生产过程中，日本的电池做的非常好，控制点是非常非常多的，我们国家能有多少呢？你们比我要更清楚，所以我们每一个位置，比如负极的烘烤、毛刺、粉尘等等，不是简单的挖一个人过来就能把电池做好的，所以我们真正要下到一线去做一些踏踏实实的研究工作。

水分对锂离子电池来说真的是非常非常重要的，如何把水分控制好是非常重要的事，整个软包电池这里面存在很多很多的问题，水分控制不好真的会致命的。

这里头水分控制好了会出现什么问题？大量的是成本的增加，压缩机功率要迅速增大的，增大就要耗电，成本就会显著增大，所以好多企业适可而止，最终绝对不会做出好的电池来。

结构对电池性能也会有很大影响，比如做的是软包电芯可以做到8千次，方形只能做到4千次；三元的软包可以做到4千、圆柱的可以做到2千，18650的可以做到2千，电池结构对性能有很大影响。

我们和企业合作做了一些特殊应用的电池，比如小型的，这是做到45安时的示范。

未来的储能市场是什么样的？未来储能市场前景是很好的，可以说前途是光明的，但道路是曲折的。我们国家在2016年应该是整个储能市场的元年，非常密集的出台多项助推政策，对我们储能领域做了非常多的政策上的驱动。预计国内的电化学储能装机，2017年389.8MW，到2018年应该在560MW以上，所以未来我们的增长率是非常大的，但是我们的基数很小，所以即使增长率再高，相对来说，整个数值也不是很大的。到2017年整个国内电化学储能市场统计来说，锂离子电池占了98%，未来随着锂离子电池成本、技术方面的进步，整个市场还会继续的扩大。到2020年，国内储能锂电的预期应该在2020年会达到16.67GW，所以刚才我问到底什么时候能达到万亿？我对此还是有怀疑的，但是前途绝对是光明的。

我们国内新增的电化学储能装机容量前十省份，因为各个省份的能源结构不一样，所以各个省对于整个储能的需求也是不一样的。比如江苏，在我们国家市场是最大的。

未来我们会存在着什么问题？电池技术真的有待于进一步提高，我们国内从98年开始生产锂离子聚合物电池，经过了20多年发展，锂离子电池技术有了很大的进步。但随着人们生活水平的提高，对锂离子电池性能也提出了更高要求。现在来说还无法满足我们用户对于锂离子电池技术的需求，所以还需要我们扎扎实实的做些研究工作。这两天有很多技术方案、概念出来，其实我们整个运营还是不成熟的，包括很多概念都出来了，但是利益如何分配就是很重要的一个问题。最后融资比较困难，储能领域也是这样的，我们真正希望锂离子电池行业能够健康的发展，而不是去炒作。

未来我们应该在一个智慧电网控制下的智慧城市下生活，这是我们的前景，而且我们这里需要燃料电池、电化学储能、调峰等方方面面的电化学相关的这些能源，我想未来我们的前景一定是光明的。21世纪是新能源的世纪，所以我们相信新能源一定让我们的生活更美好。