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锂电池如何拯救“碳中和”?

发布时间: 2021-06-04 09:08:22   试剂信息网

2021年,碳中和元年


2021年十三届全国人大四次会议于2021年3月5日在北京召开,政府工作报告中提到的“碳达峰”“碳中和”成为热词。在此之前,中国高层就以不同方式释放出发展低碳经济的强烈信号,比如2020年9月22日,习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出:中国二氧化碳排放力争于2030年前达到顶峰,努力争取2060年前实现碳中和。同年的中央经济工作会议上,确定了2021年的八项重点任务,其中就包括碳达峰、碳中和等任务。


碳中和是指通过植树造林、节能减排等形式,以抵消自身产生的二氧化碳排放量,实现二氧化碳“零排放”。简单来说,碳就是二氧化碳,碳中和就是通过节能减排的方式来降低温室效应。


转变能源结构、发展低碳技术是实现“碳中和“的应有之义。在过去十余年,中国先后大力发展了以光伏、风能等产业为代表的清洁能源。其中,光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。光伏发电设备主要包括电池组件、支架、逆变器等,即晶硅电池经过串联后进行封装保护构成电池组件,再配合功率控制器等部件形成的发电装置。光伏发电设备行业处于电力产业链的中上游,其辐射链条较长:上游是晶体硅原料的采集和硅棒、硅锭、硅片的加工制造;中游是光伏电池及组件的制造;下游为光伏电站系统的集成和运营。产业链的各个环节共同决定了光伏行业是否可以实现平价上网。2019年以来我国光伏进入平价上网过渡阶段;进入2020年以来,竞价项目度电补贴强度平均下降50%至0.033元/kWh,且共有13省份申报了36.23GW平价光伏项目,同比增加145%,光伏行业开始真正进入大规模平价上网时代


但无论是哪种清洁能源,都面临一个共同的问题,那就是“储能”。目前,能够大规模承担起储能这一任务的便是锂电池。

当电路接通,负极固相材料中会发生电化学反应,释放出Li+和电子。它们分两路同时向正极方向迁移。Li+会融入电解液,并穿过隔膜到达正极。电子则通过外部电路到达正极,电子流经负载,即可实现负载对外做功。电子通过集流体直接进入正极固相材料,而Li+则被正极固相材料吸收。锂电池又被称为“摇椅电池”,原因是充电过程的电化学反应与放电过程是相反的。所以在讨论锂电池寿命时,总会提到进行了多少次“循环”。


图6. 锂电池工作示意图(源自知乎)


近年来,我国锂电池产量逐年增长。需求方面,受益于新能源汽车发展及动力电池需求增加,我国锂电池出货量逐年上升,2019年达131.6GWh,产业规模超过1700亿元。目前消费锂电池领域需求已经较为饱和。未来,随着全球新能源产业的发展,电动车逐渐成为锂电池的大需求产业,因此动力锂电池成为锂电池产业需求增长的集中领域。


据CNESA全球储能项目库统计,2019年底全球已投运储能项目的累计装机规模为184.6GW,同比+1.9%。不同储能技术来看,抽水蓄能项目的累计装机规模位列第一,为171.0GW,同比+0.2%;电化学储能项目的累计装机规模位列第二,为9520.5MW。电化学储能技术主要包括锂离子电池、铅蓄电池、钠硫电池、液流电池等;其中,锂离子电池的累计装机规模占到电化学储能装机规模的88.8%。

图7. 电化学储能种类及占比(源自未来智库)


“若从碳减排的角度出发,新能源汽车最终都将转向风电、太阳能等可再生能源,而风电和光伏发电用于纯电动汽车效率最高、成本最低。反之,通过动力电池储能又可以解决光伏和风力发电的波动性问题。光伏和风电的发电成本虽然不高,储能成本却极高,目前没有比电动汽车更好的储能方式了。”欧阳明高表示。


图8. 欧阳明高院士在中国电动汽车百人会上发言


正是得益于锂电池的蓬勃发展,过去一段时间,各大资本巨头和科技巨头纷纷宣布“造车”。种种事实都在告诉我们:新能源汽车时代要来啦!


事故频发、里程焦虑掣肘锂电发展

追求高比能量电池电极是电池发展的动力,但高容量和高电压的背后则是锂电池的热失控问题。特斯拉作为电动车生产领域较为成熟的厂商,连日来也因电池安全问题备受批评。4月16日12时许,北京集美家居大红门的储能电站起火,电站北区在毫无征兆的情况下突发爆炸,导致2名消防员牺牲,1名消防员受伤,电站内1名员工失联。

锂电池内部存有大量的有机电解质,在快速充放电和过充过程会导致热失控,温度升高从而导致火灾和爆炸。相较于三元正极材料,磷酸铁锂安全性更好,但也只是相对安全。因此,发展固态电池成为继锂离子电池后又一个高潮。


另外,同样惹人诟病的一个问题是电动汽车的里程焦虑,即在寒冷条件下,锂电池的容量会大幅下降,行驶里程随之缩水。这主要是由于锂离子电池主要依靠锂离子扩散传输电荷,低温下离子扩散慢,电解液的黏度增大,甚至部分凝固,导致锂离子电池的导电率下降。此外,低温环境下电解液与负极、隔膜之间的相容性变差,阻抗增加等都不利于电池正常工作。因此,开发全新电极材料,增加锂离子扩散系数和电解液的导电率是提升低温性能的重要手段。