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特斯拉能量墻與鋰電池技術(shù)：能互相支撐嗎？

時間:2016-03-08 09:20來源:財經(jīng)雜志 作者:西顧
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　　想象一下，某個夜晚，城市用電高峰，拉閘限電，而你打開掛在墻上的“大電池”，室內(nèi)一片光明，甚至可以開著電動汽車出去兜個風。更酷的是這些電是免費的，因為你家的太陽能發(fā)電組或者風力發(fā)電組，白天用電冗余部分充進了大電池，晚上使用，完全獨立于公共電網(wǎng)。
 
　　這是美國特斯拉公司（Tesla）設(shè)計Powerwall要達成的愿景。
 
　　Powerwall不是發(fā)電裝置，更像是一塊大電池。由于可以掛在墻壁上，在中國，它被稱為“能源墻”。
 
　　如果Powerwall這塊“電池”能接入到電網(wǎng)，好處是計算階梯電價時，Powerwall可以在電費較低時段，預(yù)先存儲一部分電能，而在電費較高時段使用，從而節(jié)省電費支出。如果你家屋頂上有太陽能，那就完全免費了，Powerwall負責從發(fā)電到用電中間的存儲，甚至可以使普通家庭用戶離開公共電網(wǎng)獨立運行。
 
　　按特斯拉的CEO埃隆·馬斯克的計劃，新一代Powerwall儲能電池將在七八月問世。這距離第一代Powerwall“降生”不到一年，他急于讓Powerwall進入全球大部分家庭，成為家庭的“大電池”。
 
　　僅僅有不到30年產(chǎn)業(yè)化歷史的鋰電池技術(shù)，能否支撐起Powerwall未來的使命？特斯拉的解決方案，可否用于儲能裝置與大型新能源發(fā)電站的結(jié)合？這種由小電池組裝成的儲能系統(tǒng)，如何與公共電網(wǎng)跳好“二人轉(zhuǎn)”？
 
　　一切都還是未知，記者采訪發(fā)現(xiàn)，在能源界也有不同的聲音。
 
　　老技術(shù)換新裝
 
　　目前的電池技術(shù)，單個電池做到存儲量達到兆瓦級別，仍是不可實現(xiàn)的，特斯拉將大量小電池集成形成一塊大電池的解決方案，在大數(shù)量級電量存儲方面給出了一個新思路。
 
　　Powerwall的創(chuàng)新在于利用一套電池管理系統(tǒng)，把近7000塊18650鋰電池反復(fù)分組，每一層都有管理，靠軟件技術(shù)保證電池充放電的一致性，避免危險發(fā)生。
 
　　18650電池是鋰離子電池的鼻祖，是日本索尼公司為了節(jié)省成本而制定的一種鋰離子電池型號。
 
　　中科院物理所研究員、中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟專家委員會主任委員黃學(xué)杰接受記者采訪時表示，Powerwall使用的鋰電池技術(shù)本身很成熟，它做的是把小電池組裝成儲存單元，“特斯拉主要是提出商業(yè)模式”。
 
　　以前就曾有類似Powerwall的家用儲能產(chǎn)品，不過，大多數(shù)出現(xiàn)在日本市場。比如，2011年4月，索尼發(fā)布的采用橄欖石磷酸鐵鋰充電電池的1.2kWh儲能模塊；2011年7月，東芝推出的由錳酸鋰電池+鈦酸鋰電池組成的1.6kWh產(chǎn)品；2012年3月，NEC發(fā)布的由錳酸鋰聚合物電池組成的6kWh儲能產(chǎn)品等。
 
       在中國科學(xué)院電工研究所儲能技術(shù)研究組組長陳永看來，從電池技術(shù)的本質(zhì)來看，Powerwall并沒有根本性突破。不過，它的電池管理、溫度控制，以及電池跟外部電網(wǎng)的互動，值得借鑒。比如，為了防止電池溫度過高和差異過大，Powerwall配備了一套冷卻系統(tǒng)，用冷卻液平衡電池之間不同的溫度，防止溫差造成危險。
 
　　陳永也提醒，Powerwall將成千上萬個小電池堆積，未必是未來儲能的正確思路。
 
　　以小體積實現(xiàn)大電量的儲備，是目前整個儲能行業(yè)、電池技術(shù)共同的瓶頸。
 
　　未來儲能，電池需要放大，但應(yīng)以什么思路放大？
 
　　“直接放大是不行的，拿現(xiàn)有做小電池的思路來做大電池，我認為是不通的。”陳永接受記者采訪時直言，小電池本來有一定的安全隱患，從概率上來看，簡單地大數(shù)量堆積會增加隱患和成本。
 
　　什么在阻礙電池無限量擴容
 
　　電池的續(xù)航能力一直是技術(shù)難點，特斯拉讓全球消費者看到了增加電池存儲量的可能，但現(xiàn)有的電池技術(shù)還有多大的增量空間？
 
　　目前，電子用品市場上應(yīng)用最廣泛的是鋰離子電池，特斯拉產(chǎn)品也用這種電池。鋰離子電池屬于二次電池，可以重復(fù)使用。
 
　　1991年，索尼公司推出第一塊商品化鋰離子電池，并帶來電池工業(yè)的一次革命。鋰離子電池首先進入手機、數(shù)碼相機等消費類電子產(chǎn)品市場，沒用幾年時間就一統(tǒng)天下，將鎳鎘電池、鎳氫電池等逐出市場。
 
　　其實，二次電池領(lǐng)域也是一個大家族，有鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鈉硫電池、液流電池等。全球電池市場中，鉛酸電池的市場份額，在所有二次電池中仍占據(jù)絕對主導(dǎo)地位，不過鋰電池增勢迅猛。
 
　　2018年，鋰電池全球市場規(guī)模將比2013年增加31.7%，占整體電池市場的比重，達到三成左右。
 
　　能量密度、價格、安全、壽命、體積等是衡量電池的常用指標。黃學(xué)杰分析，電池在不同的使用環(huán)境中，側(cè)重的指標不一樣，“不同的設(shè)備中，對電池指標的注重可以協(xié)調(diào)，尤其是相互制約與矛盾的指標”。
 
　　手機電池需要在最小的尺寸里裝盡量多的能量，安全系數(shù)會低一些，消費者可以忍受高一些的價格，壽命也可以短一些，一般3年就夠；汽車用電池需要10年以上的壽命，安全系數(shù)要求更高，同時價格不能太高；在大的儲能領(lǐng)域，需要電池壽命達到20年以上，體積指標可以放松一些。
 
　　在上述指標中，顯示設(shè)備續(xù)航能力的電池能量密度，常常與安全性是相互矛盾的，即能量密度越高，危險性也就越大。
 
　　鋰電池的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在正負極材料、電解質(zhì)和隔膜上，材料的性能和制備工藝很大程度上決定了電池的性能。
 
電池技術(shù)的突破依賴基礎(chǔ)材料性能的提升，遺憾的是，材料鮮有重大突破。石墨烯材料被廣為看好，不過，至今沒有真正的產(chǎn)品可用。
 
　　在隔膜方面，美國與日本擁有先進隔膜生產(chǎn)的技術(shù)專利，但這些研發(fā)成果都針對小電池，尤其是在數(shù)碼產(chǎn)品、智能手機領(lǐng)域，對于未來的大型電動車電池、電網(wǎng)儲能電池，目前隔膜的研究思路是否適合，陳永認為仍是一個大問號。
 
　　除電池的材料之外，電池的結(jié)構(gòu)常常被忽視。
 
　　陳永將電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計比作是炒菜，不同的廚師用同樣的原材料炒出來的菜，味道可能是不一樣的。“同樣的材料，采用不一樣的電池結(jié)構(gòu)技術(shù)，性能就會有相當大區(qū)別。”陳永對記者說。
 
　　安全性考慮、材料技術(shù)、電池結(jié)構(gòu)技術(shù)，并不是阻礙電池無限量擴容、設(shè)備無限增大續(xù)航的全部因素，終端產(chǎn)品的設(shè)計也在掣肘電池擴容。要知道，智能手機中的很多功能沒有那么緊要，但在后臺運行時卻很耗電。
 
　　即便是特斯拉，也無法回避當前電池技術(shù)面臨的上述局限。此外當然也受成本拖累。
 
　　Powerwall目前有容量為10千瓦時與7千瓦時兩個版本，售價分別為3500美元和3000美元，相當于2.17萬元和1.86萬元左右人民幣。高昂的價格，會成為阻攔其進入尋常百姓家的門檻。
 
　　7千瓦時，基本能滿足一個中國家庭一天的常規(guī)用電量，但Powerwall想在中國遍地開發(fā)，還需要研究中國的國情。陳永表示，美國和中國的國情是不一樣的，美國別墅數(shù)量眾多，都是獨家獨戶的，分布式光伏發(fā)電設(shè)備應(yīng)用廣泛，Powerwall會受到青睞，中國則情況不同。
 
　　特斯拉進軍家庭儲能設(shè)備，并在中國官網(wǎng)上線Powerwall，對此，常州天合光能有限公司新聞發(fā)言人葉超分析認為，“更多是看準了未來中國市場需求的潛力，意欲提前布局”。
 
　　就像光伏發(fā)電一樣，隨著技術(shù)與市場的成熟，從開始興起時每瓦幾十元，現(xiàn)在降到幾元，未來還會降到幾角，行業(yè)內(nèi)預(yù)計，家庭儲電設(shè)備也會走一樣的路。
 
　　黃學(xué)杰分析，在儲能技術(shù)中當電池的成本達到1元每瓦時，就具有商業(yè)價值，而現(xiàn)在的成本是理想成本的兩倍以上。
 
　　消費者與政府決策者，還應(yīng)該換一個思路看待電池的成本問題。
 
　　二次電池本身可以循環(huán)使用，比如電動車報廢以后，其電池仍有60%以上的儲電能力，還可以繼續(xù)用于家庭儲電。此外，電池與新能源結(jié)合后，帶來的經(jīng)濟成本與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，有更大的經(jīng)濟價值。“不能總是給外界傳達這個期望：電池成本、儲能成本可以不停地降下來，也要考慮傳統(tǒng)能源的環(huán)境成本。”陳永說。
更宏大的能源管理目標
 
　　以小體積儲備大電量，不僅是電池行業(yè)本身難以實現(xiàn)的突破，也是儲能行業(yè)的瓶頸。
 
　　就在世界主要國家紛紛將發(fā)展太陽能、風能等可再生能源上升為國家戰(zhàn)略時，解決太陽能發(fā)電、風電的間歇性——高峰和低谷之間的變化，成為迫切的需求。
 
　　這需要儲能來“削峰填谷”，使能源輸出不間斷。黃學(xué)杰分析，“電池儲能是未來趨勢，不僅是在大型風電站與太陽能光伏發(fā)電中，還能用于對整個電網(wǎng)的調(diào)頻。”
 
　　為用戶節(jié)省成本，也不是Powerwall最主要的目的，埃隆·馬斯克為Powerwall所設(shè)定的，是更宏大的能源管理目標。
 
　　比如，由于消費者的生活形態(tài)有著固定的節(jié)奏，也會形成用電的峰谷。而電力公司必須以高峰用電量來規(guī)劃發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)劃，造成在非高峰時間往往產(chǎn)生了多余的電能無人使用，這些電能就被浪費掉了。
 
　　“十二五”期間，中國建立風光儲輸示范工程，初衷就是想把風、光、儲這幾種方式聯(lián)合起來，以電池儲能作為載體，實現(xiàn)風、光、儲多時間尺度的出力互補，使這些新能源發(fā)電達到或者接近常規(guī)電源，并探索出最為優(yōu)化的聯(lián)合配比比例。
 
　　國家電網(wǎng)中國電力科學(xué)研究院電工與新材料研究所所長來小康在評價這一示范項目時曾表示，“磷酸鐵鋰電池的運行效果非常好，效率能達到80%以上，此前大家擔心它的安全性，但事實證明，自儲能電站運行以來，磷酸鐵鋰電池沒有出現(xiàn)過任何安全事故。”
 
　　不過，受制于電池使用成本，對電網(wǎng)調(diào)頻有很大經(jīng)濟價值的儲能技術(shù)，還不能全面推廣，仍依靠政府補貼進行項目示范。
 
　　況且，國內(nèi)多數(shù)示范項目還停留在對儲能技術(shù)做驗證的階段，雖然目前安全性得以實現(xiàn)，但避免安全事故發(fā)生并不是示范的唯一目標，最終還是要市場化應(yīng)用。陳永表示，儲能示范項目也是為了讓一些不太成熟的技術(shù)，通過示范達到商業(yè)化、市場化的過渡，起到橋梁作用。
 
　　“十三五”規(guī)劃提出針對長期制約新能源發(fā)展的儲能瓶頸，將“加強儲能和智能電網(wǎng)建設(shè)，發(fā)展分布式能源，推行節(jié)能低碳電力調(diào)度”。
 
　　陳永建議，在實施這些規(guī)劃時，“要避免上馬重復(fù)項目，不能為了示范而示范”，將儲能示范項目數(shù)據(jù)的公開與共享，便于研究，也便于監(jiān)督。
 
　　同時，應(yīng)該開展大型儲能電站的仿真與模擬研究，像測試電網(wǎng)擾動那樣，建立大型模擬系統(tǒng)，并給出一個擾動信號，看電網(wǎng)如何反應(yīng)、會不會崩潰。而對于企業(yè)愿意積極實施的商業(yè)示范項目，政府應(yīng)盡可能給予政策支持，推動儲能商業(yè)模式的創(chuàng)新發(fā)展。
 
　　“要推動新的電池技術(shù)、儲能技術(shù)的推廣，不能讓儲能行業(yè)重蹈光伏產(chǎn)業(yè)的覆轍。”黃學(xué)杰表示。
 
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    2024-04-19 08:42

  • 50億元！這家公司擬在摩洛哥投建鋰電池負極材料項目

    4月26日晚間， 中科電氣 發(fā)布公告，宣布公司計劃通過其控股子公司湖南中科星城石墨有限公司，在中國香港或其他海外地區(qū)新設(shè)全資子公司， 以間接投資方式設(shè)立摩洛哥項目公司，實施一項年產(chǎn)10萬噸鋰離子電池負極材料一體化基地項目 。 據(jù)了解， 項目計劃總投資
    2024-04-29 18:25

  • 全固態(tài)電池三大技術(shù)路線，誰將最終勝出？

    近年來，憑借高密度、更安全性、壽命長等優(yōu)點，被認為是“最具潛力的下一代鋰電池技術(shù)”的固態(tài)電池受到市場關(guān)注，最新消息不斷。
    2024-04-22 18:17

  • 鋰礦龍頭一季度預(yù)虧超36億元，收深交所關(guān)注函！

    4月23日晚間，天齊鋰業(yè)發(fā)布業(yè)績預(yù)告，預(yù)計今年第一季度同比由盈轉(zhuǎn)虧。 同日晚間，深交所對天齊鋰業(yè)下發(fā)關(guān)注函，要求其結(jié)合主營業(yè)務(wù)開展情況、產(chǎn)品產(chǎn)銷量、產(chǎn)品價格等，分析2024年一季度虧損較2023年四季度大幅增加的原因，并說明是否存在持續(xù)虧損風險等。 鋰
    2024-04-25 09:30

  • 又有車企公布全固態(tài)電池量產(chǎn)時間！

    當?shù)貢r間4月16日，日產(chǎn)汽車公開全固態(tài)電池試生產(chǎn)線的預(yù)定設(shè)置場所，在生產(chǎn)發(fā)動機等的橫濱工廠建筑內(nèi)確保了約1萬平方米空間，為搬入設(shè)備推進施工。 日產(chǎn)計劃2025年3月開始生產(chǎn)全固態(tài)電池，目標2028年度實現(xiàn)量產(chǎn)。據(jù)日產(chǎn)介紹，全固態(tài)電池的能量密度是傳統(tǒng)鋰離
    2024-04-18 08:43
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