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#调研纪要#水系钠电池专家会议纪要

栏目:调研纪要 作者:ZML 时间:2022-12-14 10:18:42
 要点提炼1、 精研第一代水系电池寿命不输于最好的磷酸铁锂2、 安全性测试:水系电池>磷酸铁锂>三元电池3、 目前水系电池循环寿命达6000次以上4、 精研专门开发新箔材,价格便宜,电导率近纯铝85%5、 2025年,精研通过规模化将水系电池成本降至磷酸铁锂的90%6、 成熟水系电池主要应用场景:1)低温应用2)火电站调频3)人员密集场所,市场规模合计超110亿元/年7、 聚阴离子与水系电池的竞争只会发生在储能领域。......


 

要点提炼

1、 精研第一代水系电池寿命不输于最好的磷酸铁锂

2、 安全性测试:水系电池>磷酸铁锂>三元电池

3、 目前水系电池循环寿命达6000次以上

4、 精研专门开发新箔材,价格便宜,电导率近纯铝85%

5、 2025年,精研通过规模化将水系电池成本降至磷酸铁锂的90%

6、 成熟水系电池主要应用场景:1)低温应用2)火电站调频3)人员密集场所,市场规模合计超110亿元/年

7、 聚阴离子与水系电池的竞争只会发生在储能领域。前期阶段,相较水系电池,钠电聚阴离子体系在储能领域并不具备竞争能力;后期阶段便是成本问题

8、 根据精研目前体系,目前商业化电池充放电可达6000次,预计一年后可超过磷酸铁锂水平,达15000次

9、 1GWh水系电池所需正负极材料用量合计不到30吨

 

 

 

一、行业&公司情况

 

区别于传统的锂离子电池,水系电池电解液由水溶液组成。锂离子电池电解液由有机溶剂组成,易燃易爆。

储能应用场景:1)风能、太阳能并不稳定,直接连入电网会对电网造成一定的冲击。近几年,风电、太阳能装机量越来越大,对电网冲击越来越大。因此,需要储能为风能、太阳能与电网之间的缓冲。2)解决电动汽车充电功率过大问题:3)解决传统火电厂电能调频问题。4)解决国外电网不发达,需使用储能设备配套家中太阳能及其他能源使用。

储能技术路线主要分为物理储能电化学储能两类。锂离子电池成熟前,主要采用物理储能技术路线,如三峡大坝:抽水蓄电,放水用电。目前抽水储能占总体储能装机85%以上。

化学储能发展最迅速,不同于抽水储能般对地理环境要求严苛。抽水储能需要依山建设大型水池,而很多地方无法实现,尤其是北方地区。电化学储能分布较灵活,只需一个集装箱的空间便能储蓄好几千KWh。电化学储能中锂离子电池在近几年发展非常迅速。10年前,锂电池储能只占储能领域极少一部分,但是随着近10年电动汽车产业的崛起,锂电池储能占储能比例越来越大。目前,锂电池储能占整体储能13%-14%,占电化学储能绝大部分。

锂离子电池最初的应用方向为手机、笔记本及照相机等小型场景,而非大规模应用于储能、电动汽车等场景。锂离子电池的诉求:尽可能小、轻的体积和重量中装下转载更多的电能,偏重高能量密度,对安全性等其他方面要求有所放松。锂离子电池高能量密度与电压相关:有机溶剂支持4V电压,但是有机溶剂会导致着火问题。

手机只使用一块电池,易管理,基本安全。相比手机,电动自行车出现的着火问题严重。近几年发生多起由锂电池导致的严重的人员伤亡火灾,而传统铅酸电池不会出现此类问题。电动汽车也会出现类似问题。相比电动汽车,储能电站所需电池规模远远超过电动汽车,着火概率明显高于电动汽车。一旦着火,将面临极大的损失。

无论是磷酸铁锂电池,还是三元电池,由于使用有机电解液,都有着火的概率。此外,电堆着火的概率与电池使用数量相关:锂离子电池使用有机溶剂→电池单体易燃,一旦某一电池点燃将点燃周围的电池。因此,电堆规模越大,整体着火概率越大。手机着火概率不到1/10000000,电动汽车着火概率:1/100000,储能电站着火概率明显高于电动汽车。

十几年前,锂离子电池刚起步时,前沿研究领域便注意到着火问题,提出两条技术路线:1)固态电池:使用无机物、陶瓷取代电解液(有机溶剂),理论上不会着火。理论上固态电池中固体与固体间的接触程度不如固体与液体的接触程度,导致近10年全固态电池并没有突破核心技术问题,没有生产出商业化固态电池样机。2)水系电池:水溶液作为电解液,使电池近乎绝对安全。水系电池的研究最早可追溯至90年代复旦大学夏雨姚老师所提出的锰酸锂+活性炭的电池机理。2010年中国、美国诞生几家企业,致力于推动水系电池发展,而精研团队为最早研究水系电池团队之一,甚至不比美国同行晚。经过10年的发展,中美两国各自诞生几家水系电池企业,其中部分企业进入商业释放、产品推广阶段。

相比锂离子电池,水系电池技术流派更多:可搭配的正负极种类更多,排列组合后,拥有更多种类的技术路线。目前水系电池技术路线有4种:1)贲安能源采用的技术路线,实际为半电池半电容器;2)滑铁卢大学陈院士创办的瑞海波能源科技所采用的技术路线。而同样源自于滑铁卢大学的精研新能源采用了不同的技术路线;3)斯坦福大学孵化的某美国企业采用普鲁士蓝对称电池极技术路线;4)锌离子电池技术路线:成本便宜,能量密度可观,但是这一路线还处于研究阶段。目前精研也在研发这一路线。

精研:1)涉猎水系电池研究广泛,同时推进多种不同的电化学体系2)水系电池的电池结构设计、辅助材料研究、生产设备、生产工艺等环节在全球范围内独一无二3)相比同行,精研生产技术更成熟、更易于产业化。目前水系电池存在很多未解决的问题。但是精研于2022年解决了诸多其他机构无法解决的问题,如正极集流体技术。目前只有精研一家完美解决这一问题。公司于2022年5月实现小量产,开始为客户送样、接收较小订单。

水系电池优点:1)绝对安全;2)不存在环保问题;3)可实现高功率充放电。不同于其他企业所产水系电池产品(低功率),精研所产水系电池可实现高功率充放电,功率性能较磷酸铁锂高出很多。在0℃下,可实现高倍率充放电;4)寿命。精研第一代产品寿命不逊于最好的磷酸铁锂;5)适应更宽广的温区,如可在-30℃实现充放电。而磷酸铁锂在-5℃下禁止充电。相较于北方环境下需要进行长时间严格的保温的磷酸铁锂电池,水系电池对环境的容忍度更高。6)安全测试。水系电池>磷酸铁锂>三元电池。7)循环寿命。目前水系电池循环寿命达6000次以上

水系电池缺点:单体电芯重量、体积大于磷酸铁锂3-4倍。精研所产水系电池可实现3-4倍,但是其他团队所产产品基本为10倍以上。即使水系电池单体体积较铁锂更大,但是未来可通过重新设计堆叠方案,可降低水系电池堆占地面积,使电站占地面积较铁锂更小。

相比其他研究团队,精研研究电池材料的时间长达10年,投入非常多的精力和资金。目前只有精研通过构建全新负极材料的方式,从根本解决电池的枝晶问题。此外,目前业内主要使用石墨、不锈钢作为集流体,石墨、不锈钢电导率很低,仅为传统锂电池所使用的铜、铝的1/1000,导致石墨、不锈钢所需用量很高、倍率性能较差。针对以上问题,精研专门开发新箔材,价格便宜,电导率近纯铝85%,可兼容锂离子电池前端全部设备。

相比磷酸铁锂,水系电池在安全寿命、功率特性、环保回收、低温性能等方面表现更优。精研计划未来2-3年内逐步将水系电池成本降至磷酸铁锂水准,然后再逐步拉开优势。

有机溶剂钠离子电池可视为锂离子电池的延伸,早在2010年日本人便推出成熟的钠离子电池正负极、电解液。锂价上行时,钠离子电池较锂电池存在成本优势,但是钠离子电池与锂离子电池在安全、低温等方面并不存在太多的本质区别。因此,有机系钠离子电池与水系钠离子电池并不在大范围内存在竞争关系。精研水系电池产品全方位领先国内外任何一家同行产品。

研发水系电池的初因:非常多的锂离子电池在产线阶段便会出现烧毁现象,希望能够开创全新的、更安全的、成本更低的电池体系。2013年4月份精研成立,于2014年年初真正开始运行。2021年在宁波建设第一条真正产线,产品开始面向市场。

目前公司有两个工厂,其中安徽池州材料工厂为项目核心。目前安徽池州工厂生产负极材料,未来还会生产正极材料。此外,还有宁波中试线,类似于一半锂离子电池、一半铅酸电池产线的拼接。产线全部采用成熟的电池领域的设备工艺,包括电池结构设计。

2022年是产业化第一年,相较磷酸铁锂,公司水系电池产品存在安全、低温优势,但是在成本、占地面积等方面存在劣势。公司计划使用5年时间逐步解决存在的一些劣势。相较磷酸铁锂,水系电池在储能领域存在优势,但是能量密度不及磷酸铁锂。

电动汽车领域完全不会考虑使用水系电池,而电动叉车会考虑使用一部分水系电池。虽然储能对能量密度并不敏感,但是更高的能量密度意味着更高的存储效率,成本将进一步降低。未来公司将从成组技术入手,减小最终电池系统占地面积,降低存储成本。

精研水系电池应用场景规划:1)水系电池具有更好的低温性能,计划明年建设高寒地区的储能。风电、太阳能需要配套储能,考虑到北方太阳能资源丰富,但是气温低,水系电池能够发挥低温优势。2)高功率应用。如火电站调频需要2C以上的应用需求。

 

 

 

二、Q&A环节

 

Q:成熟的水系电池的主要应用场景,及相应空间规模

A:1)低温应用,尤其是三北地区的储能。北方占据中国风电光伏的大半壁江山,市场规模不会小。2)火电站调频:23年公司业务重点领域,市场规模约十几亿元/年。相较磷酸铁锂,水系电池存在功率密度优势。3)以消费中心为代表的人员密集场所及数据机房所使用的后备电源领域市场,市场空间规模近100亿元/年。

三年后公司通过规模化将水系电池成本降至磷酸铁锂的90%时,水系电池便能在储能领域得到广泛应用。

 

Q:未来水系电池、钠电、铁锂成本

A:水系电池拥有多种不同技术路线。目前精研水系电池体系成本并非最低,未来极限成本可与磷酸铁锂成本一致,或者稍高些。但是水系电池寿命更长,折算的度电成本较磷酸铁锂更低。例如,铁锂可循环4500圈,而水系电池可循环8000圈。虽然水系电池整体成本较铁锂高出10%,但是度电成本更低。

其他技术路线:理论上锌离子电池的极限成本为磷酸铁锂的1/3。未来两三年内,一旦锌离子电池技术路线成熟,成本易于达到铁锂的50%-70%。

Q:以上磷酸铁锂价格对标的碳酸锂价格

A:基于4万元/吨的碳酸锂价格。但是在现在的碳酸锂价格下,目前的技术路线所产水系电池成本稍低于磷酸铁锂成本。而锌离子电池成本仅为铁锂成本1/6-1/5。

 

Q:水系电池技术路线所对应的材料体系用量情况(1GWh水系电池需要多少正负极材料)

A:正负极:水系电池使用的正负极材料克容量与传统锂电池一致,由于水系电池电压较磷酸铁锂低50%,因此正负极材料用量超传统锂电池100%。然而,隔膜、电解液成本便宜很多。极限综合成本与磷酸铁锂保持一致。1GWh所需正负极材料合计不到30吨。

 

Q:公司6GW产能规划的时间节奏及应用场景

A:预计2024年年底投产。应用场景发展方向主要为储能主航道-调峰。

此外,公司将于2023年年底投产的1GWh,主要应用于之前所说的储能细分市场:1)北方市场2)高功率应用场景3)高功率应用&高安全场景,如人口密集场所

 

Q:材料端规模化供应能力:自制还是外协?
A:目前公司材料需要自制生产。虽然正极材料存在较多选择,但是公司选择自制生产;而负极材料只能由公司自行生产。未来公司会掌握相关技术,但是可能会转让其他公司生产负极材料。

 

Q:2026年容量优势优于铁锂?
A:单论电芯单体,水系电池能量密度永远无法达到磷酸铁锂水准,但是通过成组技术,可使水系电池组占地面积低于磷酸铁锂

 

Q:钠电聚阴离子体系V水系电池

A:聚阴离子与水系电池的竞争只会发生在储能领域,但是储能领域中钠离子电池与磷酸铁锂间竞争关系更直接。聚阴离子有机钠电可能无法应用于此前所说的细分市场:1)高功率场景。高功率为有机电解液的劣势。2)低温场景。有机溶剂在低温下充电难。3)安全性。虽然有机钠电较有机锂电安全,但是并非绝对安全。水系电池安全级别远远高于有机锂电/钠电。因此前期阶段,相较水系电池,钠电聚阴离子体系在储能领域并不具备竞争能力;后期阶段便是成本问题,具体由技术研发实力决定。

 

Q:国内外水系电池市场应用情况及竞争格局

A:海外对新技术的关注度、容忍度更高。海外市场在家庭储能方面更容易放量。而国内决定性力量为成本,而非安全性、低温性能。

精研重点关注成本,希望能在安全、环保、可靠的前提下,所产电池成本比现有电池成本更低。

 

Q:水系电池的理论体积能量密度、质量能量密度

A:水系电池拥有多种技术路线。理想状态下,体积能量密度:200Wh/L;重量能量密度:近100Wh/kg

目前精研正在推广的水系电池:体积能量密度为90Wh/L,重量能量密度为45Wh/kg。相较铅酸电池,体积大小一致,但是重量降低30%。公司水系电池产品体积能量密度为磷酸铁锂1/4-1/3。一开始公司水系电池产品所需体积(按集装箱体积计量)与磷酸铁锂所需体积比例为2:1,然后降至1.5:1。

 水系电池堆与磷酸铁锂电池堆占地面积相等,可从以下方面着手:1)利用安全优势,将水系电池集装箱排列更加紧密。受越发严格的国标影响,磷酸铁锂集装箱之间的距离要求越来越远。2)向高处堆叠3层,甚至5层。

 

Q:为什么水系电池的低温性能较锂电池好

A:低温性能分两种:1)充电,2)放电。

锂离子电池低温性能:常温下充满电,在低温下冻透后放电。此时水系电池与磷酸铁锂一致,在低温下发生容量衰减:-20℃下,1C放电容量不到50%。

但是水系电池存在优势:低温下能充电,对储能而言十分关键。例如,若想北方光伏储能项目能在日出时分便工作,磷酸铁锂需在前晚保温,但是会浪费能源。此外还需考虑电池加装问题。但是水系电池即使在前晚冻透,也能在第二天早上充电。

 

Q:水系电池在低温环境下是否存在上冻问题

A:存在。以目前的体系为例,即使为硫酸盐电解液增加防冻方案,但是在-35℃下,基本还是会完全冻上,此时电池完全不能使用。但是水系电池经历非常低的低温后,回到常温状态后,电池依然可以工作,不存在容量衰减的现象。

 

Q:未来水系电池循环性能展望

A:具体需要分体系而定。根据精研目前体系,目前商业化电池充放电可达6000次,预计一年后可超过磷酸铁锂水平,达15000次。

其他体系水系电池在循环性能上存在很大问题,如锌离子电池具备很好的经济性、能量密度,但是循环次数只能期望500次。

 

Q:在现在材料体系下如何优化,才能将循环次数从6000次提升至15000

A:现有体系为“氧化锰+自主研发的负极材料”,以上两种材料本身具备循环寿命优势。通过改进生产工艺和结构,将循环寿命从初始的500次提升至6000次。将循环次数由6000次提升至15000次,并不需要对电化学进行深度的改进。

 

Q:海外普鲁士蓝技术路线的性能指标,及精研存在的差异化的竞争优势

A:海外普鲁士蓝技术路线优势:1)理论上具备更好的循环寿命,40000次(我们只有20000次)。2)具备更好的功率优势。由于采用不锈钢作为集流体,因此会牺牲电池结构设计、牺牲成本。(我们提升不到10%的成本,便可实现更好的功率性能)

精研产品优势:1)成本。精研产品成本仅为海外普鲁士蓝路线成本1/3;2)能量密度:精研水系电池体积可与铅酸电池保持一致,并且重量更轻,可应用于电动车辆。但是,海外普鲁士蓝技术路线水系电池能量密度仅为铅酸电池1/3,因此海外普鲁士蓝水系电池体积、重量为精研水系电池4倍以上。

由于海外普鲁士蓝水系电池能量密度更低,意味着需要付出更高的成组成本,因此在储能领域相比精研水系电池,海外普鲁士蓝技术路线并不具备竞争能力。但是,海外普鲁士蓝技术路线在UPS、及备电时间短、功率高的后备电源领域较精研水系电池存在优势。

 

Q:如何看待铅炭电池?
A:铅炭电池为铅酸电池变种,相当于铅酸电池正负极与活性炭的混合,较铅酸电池具备更好的功率性能、循环寿命。

铅炭电池发展时间较长,但是存在部分问题:1)循环寿命:10年前日本地区最佳水平为1500-2000次,如今最佳水平依旧。2)污染问题。一旦将电池售卖出去,人们便会考虑电池回收的问题。

除非铅炭电池实现非常大的技术突破,否则难以与其他技术路线在储能领域竞争。市场表现亦如此,前几年市场上研究铅炭电池的厂商较多,如南都电源。但是近两年,南都开始转向锂电。




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