麻省理工李巨教授：电网级锂电池储能的关键性挑战

【研究背景】

全球气候正在加速发生着不可逆的变化，我们亟需完成从化石能源到可再生能源（以风能、太阳能为主）的转变。随着这些可再生能源在电网中的比重增加，由于风、阳光受气候的影响，使其具有间歇性和波动性等因素，所以会在一定程度上导致电网供需的不平衡，电网频率因此造成偏移，从而带来了很大的调频压力。相对于传统调频技术，锂电池储能在响应速度上具有压倒性优势，已经成为国内储能，尤其是电网储能应用的主流。目前，大规模电网级锂电池储能面临的两大主要挑战在于安全和回收。基于此，美国麻省理工学院李巨课题组等人在Advanced Energy Materials上发表了题为“Key Challenges for Grid-Scale Lithium-Ion Battery Energy Storage”的前瞻性文章(Perspective)，黄祎萌为本文第一作者。

【内容表述】

图1. 锂离子电池可储存8小时的可持续能源生产示意图。

文章首先阐述了在能源转型的过程中，我们需要集中发展那些较为成熟、可以较快实现大规模应用的技术(“Type-A”技术)，并提出了风能/太阳能+锂电池储能的组合将会是近二三十年内最佳取代化石能源的方法。为了解决风能、太阳能供应的间歇性问题，我们大约需要8小时的电力储备。8小时电力储备约等于 25 TWh的锂电池储能总量（仅美国），而这大约是目前锂电池储能规模的100倍。LiFePO4//石墨(LFP)电池的能量密度为160 Wh/kg，将需要156250000吨LFP电池。这大约是每人500公斤LFP电池(80千瓦时的电存储)，其中大约有6.5公斤的锂原子(需要乘以5.32得到对应的碳酸锂当量，LCE)和29公斤的磷原子。从这个角度来看，地球上真的有足够的锂和其他矿物来支持它吗? 美国地质调查局(U.S. Geological Survey)已经确定，全球锂原子“总量约为8000万吨”，在这个星球上，人均锂原子量为10.3公斤，因此锂足够供地球上每个人使用。“8小时的能量”是一个口语化术语，用来表示与一次能源使用相比的规模，但如果只按电能使用归一化，它更像是60小时或2.5天的电能储存。对于如此巨大规模的锂电池储能，锂电池/储能电站的安全性和资源的回收利用是目前存在的两大主要挑战。

除了资本支出，与LIB循环寿命密切相关的运营费用(OPEX)又如何呢? 结果表明，锂离子电池的循环寿命与充放电深度、温度和充电速率有非常非线性的关系。因此，更好的软件和电池管理系统对于安全运行和实现长期经济价值最大化非常重要。Hsu等人和Lu等人使用深度神经网络预测电池健康状态(SOH)、剩余使用寿命(RUL)和容量-电压曲线，这些是为家庭或电网规模的电池组选择新制造或使用过的电池和动态负载平衡的关键。

图2. 不同水平的锂离子电池(LIB)存储和用于消防安全的关键部件示意图。

文章接着详细探讨了锂电储能安全的相关问题。安全性对于大规模锂电池储能非常重要，因为一旦有一处电池发生故障或处理不当，将会引发一系列的连锁反应，比如火势的蔓延，从而导致非常严重、不可控的后果。文中例举了许多全球范围内锂电储能电站发生火灾而导致极大损失的案例。2019年4月19日，亚利桑那州2 MWh LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂(NCM)//石墨ESS设施发生火灾和爆炸，造成8名消防员受伤。2021年4月16日，中国北京一个25 MWh LFP ESS电站发生爆炸，造成2名消防员死亡。仅在韩国，2017年至2019年期间就发生了28起火灾事故，导致522台ESS机组在监管审查后关闭，占所有ESS安装的约35%。而在正常使用下，单个电池单元在其生命周期内发生故障的概率约为10⁻⁷，由于火灾事故的串联性质，ESS设施引发数百万个电池同时发生火灾，导致严重事故的概率显然不低。这些事故导致电力供应中断、严重污染和巨大的经济损失。这些负债需要添加到运营成本中，而且经常被低估。

到目前为止，大多数关于火灾安全的研究都集中在电池层改进电池材料。这些包括但不限于：通过掺杂或涂覆方法优化LiFePO₄和稳定高压LiCoO₂/NCM正极热稳定性，通过轻度氧化、涂覆、和形貌修饰方法改进石墨负极，以获得稳定的SEI层，并寻找替代负极(如硅纳米线，Fe₃O₄和Li₄Ti₅O₁₂)，通过替换盐和溶剂等策略降低电解质的可燃性，使用功能性添加剂，并寻找不易燃的替代品(如离子液体、胶凝聚合物基电解质、和无机固体电解质)。虽然电池层材料的开发已经取得了显著的进展，但电池内部的热失控风险不能完全消除。除了技术的进步，火灾危险的控制也取决于法规和管理的发展。LIBs必须经过一系列安全测试才能用于电动汽车和固定式储能等应用。尽管国际和国内已经发布了若干标准和条例，但在安全测试的测试条件、测试参数和合格/不合格标准方面仍然缺乏一致性。例如，用于穿透测试的钉子材料、尺寸和穿刺深度，以及SOC、温度和充电速率等测试条件都有很大的可变性。安全测试的不一致导致整个行业LIB质量存在巨大波动，这可能给故障排除和安全政策的制定带来困难。另一个问题是，大多数测试都是在单个电池水平上进行的，这可能并不代表电池组/系统水平的安全性能。在系统设计和系统级安全评估方面，业界仍缺乏共识。所以，我们必须重视大规模锂电池储能的安全问题，除了在安全技术上的研究与突破，还需要在消防、电池安全测试、电网储能规范等各个方面有进一步的完善。

图3. a)锂离子电池闭环回收示意图。b)电池回收净利润。

文章最后探讨了锂电池的回收利用问题。来几十年间不断扩大的锂电池储能规模将会加剧及凸显资源短缺（例如锂、钴、镍等资源）和环境污染（电子垃圾、生产制造等）的问题。我们急需提升锂电池回收的比例（目前回收率仍<10%）以及在回收方法上实现突破。截至2019年，全球只有5%的锂离子电池得到回收，它们都旨在以金属形式提取有价值的金属，如Co和Ni。此外，传统的火法/湿法冶金效率低、对环境不友好、以及不适用于回收磷酸铁锂等不含有稀缺金属的材料。

对于大规模的锂电池电网级储能（一般不含钴/镍等稀缺金属），效率高、价格低的直接回收/轻回收(direct recycling)的方法或者使用直接回收+冶金法的组合将会是更好的选择，也是我们应该着重研究和大力发展的方向。与高温/湿法冶金相比，直接回收法只消耗约15%的能源，产生约25%的二氧化碳排放，成本约降低50%。这对于ESS应用来说尤其重要，这些应用严重依赖于含有较少价值元素的化学物质，如LiFePO₄或LiMn₂O₄ (图3)。常见的直接回收策略是将废弃的活性材料与新的活性材料或额外的锂源混合，然后进行热处理，目的是补充损失的锂或修复受损的晶体结构。修复后的活性材料可以直接制成电池再制造的新电极，大大降低了金属成分提取和活性材料再合成的成本和排放。

在回收技术进步的同时，废物管理和政策制定也应得到发展，以确保真正的循环经济。由于改变游戏规则的回收技术不能在短时间内成熟，很可能在不久的将来，大多数LIB仍然没有被回收，最终被储存、填埋或焚烧。如果管理和处置不当，废锂中的有毒有机溶剂、塑料和重金属会渗入土壤，污染海洋。联邦和州两级的LIB处置已有多个现有标准和法规，如美国的《资源保护和回收法》和中国的《危险废物处理条例》，但仍存在一些问题，如LIB分类不明确，未能跟上技术进步，缺乏数据收集标准，报告和跟踪，这些都应及时解决。

【展望】

随着能源需求的增长、资源的枯竭和气候以指数速度恶化，能源生产的脱碳是不可避免的。在当前技术阶段，考虑到经济和环境因素，8小时的锂电池储能与风能/太阳能(A型技术)相结合，产生的能源可以满足95%的需求，并使用传统化石燃料作为备用电源，应该是未来能源脱碳的现实策略，直到B型技术(如核聚变动力工程和超导传输)成熟为止。随着LIB能量密度、成本效率和循环寿命的不断进步，这些数字(8小时，95%等)将会有所改善，但未来面临的两个真正的挑战是锂电池/储能电站的安全性和资源的回收利用。

最近，锂电池/储能电站的安全性和回收利用引起了越来越多的关注，并取得了长足的进步。在技术上，人们对火灾安全产生热和热失控的起源有了更深入的了解。在回收方面，浅回收和深度回收的优化组合，可以进一步提升回收的经济和环境效益，形成可再生能源产业内Co、Ni、Li等有价值元素的闭环，极大地减轻资源和开采负担。此外，法规和管理必须与技术进步同步改进，以进一步提高安全性和可持续性。需要制定最新的特定场地安装/安全指南和应急措施，需要认真对待报废LIB的火灾风险，需要制定和执行废物管理政策。实现可再生能源与LIB存储相结合的循环经济需要学术界、工业界和政府之间的广泛合作。随着技术和管理的改进，我们将有望实现成本<90美元/kWh的电池组，该电池组可稳定循环20000次及以上，实现安全和可持续的电网存储。

【文献详情】

Yimeng Huang, Ju Li, Key Challenges for Grid-Scale Lithium-Ion Battery Energy Storage, Advanced Energy Materials 2022, 2202197.

https://doi.org/10.1002/aenm.202202197

【作者简介】

李巨 教授

李巨是材料学专家、美国麻省理工学院终身教授。曾获2005年美国 “青年科学家工程师总统奖”，2006年材料学会杰出青年科学家大奖，2007年度《技术评论》杂志“世界青年创新（TR35）奖”，2009年美国金属、矿物、材料科学学会(TMS) “Robert Lansing Hardy”奖。2014/18-19年入选汤森路透/科睿唯安全球高被引科学家名单。2014年被选为美国物理学会会士，2017年入选材料研究学会会士。