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机电池是干什么用的目录
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196.80II.S
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3140.
9646.84单位成本五wh220013401140910760674618回顾历史,帆电池技术的研究、开发与应用起始于上世纪80年代,早在1988年,澳大利亚新南威尔士大学就开发出IkW的机电池系统可以说,钮电池是和锂电池、燃料电池等同一时代的技术不过后来锂电池在1991年商业化后凭借能量密度高、体积小的特点率先出圈,之后一路扶摇而上而锐电池由于应用场景受限,一直都比较冷门说到底,过去我们一直需要的是更轻便,能量密度更高的电池,压根没有多少场景需要大容量电池,所以加电池的长板亳无用武之地但是随着能源革命的进行,可再生能源电力的增多,我们对大容量存储的需求越来越高,帆电池重新回到赛道,是符合客观规律的和手机、电动车不同,储能电站对能量密度和占地面积没有过多的要求相较而言,储能电站更看重电池寿命、安全性和使用成本比如占据储能最大份额的抽水蓄能电站,其寿命一般都长达20年甚至50年以上在今年6月国家能源局近日发布的《防止电力生产事故的二十五项重点要求(征求意见稿)》中提出,中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池事实上,最近几年,机电池在国内受到越来越广泛的重视从事机电池储能技术研究和产业发展的机构逐渐增多,包括中科院大连化物所、大连融科储能公司、北京普能、武汉南瑞等其中,大连化物所和融科储能公司在基础研发、产品设计、技术应用及产业化进程方面已经走在了世界前列也就是说,被扫进垃圾堆的电凡电池意外搭上了储能的快车今年5月,在辽宁大连,一座超大型的机电池储能电站迎来了并网投运该电站为“大连液流电池储能调峰电站国家示范项目”的一期项目,已经投入的716个灰白色电解液储罐可储存400兆瓦时电量,即40万度电,可以供应近2000个家庭使用一个月目前是全球最大的液流电池储电站,被称为“储能之王”,到二期项目全部投运后,储电能力还能翻一倍,到80万度电乐观点说,机电池技术的规模化应用已经进入快车道第10页共14页2007年.,绯自解疮.用于*(婀取*VRB POEyy*lrm.我再“4,乂菱彳.m与材.2OMW.大声tw*%«ara».Eami^作甑MUM.中0M电筋冷祟开血L人GiNtWHL1974-19841995-20062021-2022税根化晡芽M段国内启幼机电池研究发■进人快车道1974”.IZn桂次iw«r.中0111«加珊防加£AftlOOMW/40OMWiSOOW/lkW钊膜RX%炒01】一・HH,将子PHRAA4^Wrf*/£I C*VW^U»BnaxAiA.机电所产魁nu.1985-19942007-2020帆电池技术出世技术险证逐海g.育业化迸入早期痂网1邺玄I次大MiKtNSW胃出金图2钢电池发展历程仅我去电时却T.并F1%H«I0次AM F•尔夫’闻丽’件力・话说回来,电池的三个指标能量密度、安全、寿命,就如经济学里的“不可能三角”,世界上很难有绝对完美的电池所以我们万万不能“捡了西瓜丢芝麻”,而要根据各个产品的特性,用其所长,做到物尽其用从电池材料资源角度讲,有了锂电池,我们还需要想办法用好氢燃料电池、钠离子电池和钮电池这样电池企业也不需要扎堆在一种材料上面,为原材料涨价而苦恼据USGS统计,截至2021年底,全球已认定符合当前采掘和生产要求的钢矿储量超过2400万吨,其中,中国锐矿储量约为950万,占比
39.6%,位居世界第一跟钠离子一样,帆电池也不用担心被原材料“卡脖子”
4.能否和锂电池、燃料电池、钠电池并肩起舞?
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1.前述现阶段,业内已经充分认可机电池的大容量存储能力和安全性这可以归功于帆电池的先天优势但未来要想和锂电池们一起共舞,还需要后天不懈努力(其实同样具有先天优势的燃料电池和钠离子电池也是相似的成长逻辑)接下来,整个机电池产业链还要加快速度发展,在电池关键材料研究与开发、电堆设计与制造、系统集成技术等方面更进一步第11页共14页图3钢电池上游构成
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2.电解液电解液不仅是机电池的重要部分也是成本的大头,占机电池总成本比例约40%o换言之,电解液成本能否降下来成为供电池降本的关键对于帆资源,我国不仅储量第一,产量也是全球第一,占比高达68%,资源可完全自给这是国内发展机电池得天独厚的优势当前国内的钮资源企业主要有攀钢钢钛、河钢承钢、安宁股份、西部矿业等其中攀钢帆钛也是全球产能规模最大的企业随着机电池需求量的提升,攀钢机钛、河钢股份等机资源企业正积极投向电解液生产环节,将钿资源优势和电池企业的研发能力结合,形成产业协同效应,可以加快电解液的产业规模化发展2021年MO,无帆电泊履关布・量劣主体用美上布公a Vl«A frVKX,万■■帆除
4.33万3五・化二祝1与大连博•仓作同一承,19万RWA且,祝电电电■产•力安宁短伊安f快
51.72142万二根恢领博夕无avrik58^1591片—幅无金卿R也48和无号亮集团•
42.03无图4国内主要钿资源企业其次,前文已经提到机电池电解液是可以循环利用,如果能够促成制造■使用•回收的产业闭环,进一步提高电解液的残值,那么机电池全生命周期内的成本将大幅降低同时,通过开展电解液租赁等商业模式创新,也可降低机电池的初始投资成本,如果该模式能够走通反过来又可以促进供电池的规模化发展最后,提高机电池的能量密度也就意味着降低了电池成本由于帆离子在第12页共14页电解液中的溶解度本身就不高,极大制约了电池的能量密度,而且温度过高,机离子的溶解度也会受到影响一直以来,帆电池企业不断研究,致力于提高电解液中机离子的浓度,并同步改善高温下稳定性目前电解液正从传统硫酸基质向盐酸基质等新配方升级迭代,其钮离子浓度和工作温区都有显著改善可以预见的是,随着技术进步和装机量的增长,以及电解液商业模式的完善,铀电池的成本有望更快进入“平价区间”图5钮电池成本构成
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3.离子交换膜电堆是成本占比仅次于电解液的部件,占总成本比例约35%其中,离子交换膜是电堆内部的核心部件,不仅直接影响到电池性能,也是决定电堆成本能否快速下降的关键材料不过目前离子交换膜的国产化率还比较低,一直以来,国内钢电池企业主要使用的是美国杜邦生产的全氟燃膜(Naflon)(关键性的熔融挤出压延成型技术长期为国外企业垄断)然而,虽然Nafion膜具备优异的性能,是电堆的首选材料,但是价格过于昂贵夸张点说,Nafion膜已经制约着机电池的发展因此,实现杜邦Nafion膜的“平替”,完成国产化是降低机电池成本、推动规模化应用的有效策略当前国内的全氟烧膜生产企业主要有东岳集团和江苏科润,已经在国产替代方面已经取得一定成果与此同时,大连化物所的非氟多孔离子传导膜的研究上也取得突破性进展,量产之后可以有效降低电堆成本(限于篇幅,其他材料和系统等不做展开)化学的世界充满无限可能,多种电池技术已经到了百家争鸣的时代站在能源革命的视角,不同电池技术没有“颠覆”、“撼动”一说,有的只是“互补”、第13页共14页“共生”希望锂电池、燃料电池、钠电池、供电池“共舞”的场景早日到来
5.轨电池的应用领域——储能未来,机电池将引导世界纯电动汽车的电池潮流日前,帆电池已经列入国家”863计划”备选项目,中德“波恩项目”新能源汽车项目已于2011年4月份在海南岛奠基,投资上百亿,而机电池就属于重点之一目前关于机电池,政府层面与产业界以及学术界都有共识,均认为钢电池在中国具备发展前景首先,中国帆矿资源丰富,拥有核心技术,通过跨国整合,目前中国公司已掌握了世界的机电池关键技术,帆电池的特点也适合中国电网的需求,如寿命长、可重复放电、可靠性高,完全能满足中国建设智能电网的需求据了解,在日本用于电站调峰和风力储能的机电池发展迅速,大功率的帆电池储能系统己投入使用,并全力推进其商业化进程但在我国,钿电池产业还处于起步阶段针对国内在机电池领域的萌芽状况,中策资本集团凭借在矿产能源领域的广泛投资,目前在徐州、南阳等地建立了机电池原材料(行情专区)生产基地,并在国内最大的风力发电基地甘肃玉门建立了风、光、电储一体化的国家级示范基地此外,该集团通过股权纽带引进了口本、韩国机电池新技术,再进行吸收、消化和创新,组建了中日韩工程技术联合研发中心,并在全球多个国家申请了专利第14页共14页
1.序言近年来,随着清洁能源发电的广泛应用,储能行业也取得了长足的发展特别是以机电池为代表的储能电站的建设,为电网接受可再生能源发电提供了良好的技术支持,促进了节能减排发展风能、太阳能等可再生能源是大势所趋然而,由于风能等清洁能源的不连续性和不稳定性,大规模并网将对调峰、调频和电能质量产生不利影响,限制了清洁能源的广泛应用储能技术有望解决上述问题新能源发展的一大主线就是技术进步正因为如此,我们的研究报告,迄今从三元电池、磷酸铁锂电池、4680电池,到氢燃料电池,再到钠离子电池,基本做到了全域覆盖锂、氢、钠三大类电池玩家己经相对清晰不同类型的电池互为补充,共同推动着新能源革命大潮不过最近突然冒出了新玩家一一供电池,令不少投资者措手不及一是大家此前都没怎么听到过机电池的消息,更不确定A股有没有纯正标的;二来,“凭空出现”的机电池,跟“氢、锂、钠”都不是同族元素新能源真是越来越卷,炒化学元素周期表都变成了随机游走难怪大家调侃“投资新能源还需要问问门捷列夫是怎么想的”一直以来,在新能源这条大赛道上,大家的投资视角始终围绕着“氢、锂、钠”氢燃料电池什么时候规模化量产;特斯拉4680电池要来了、麒麟电池明年要上量;宁德时代发布钠离子电池对于这陌生的帆电池,姑且算他是“黑科技”吧,等这波热度过去就好了其实不然,自19世纪60年代后期开始的第二次工业革命将人类带进电气时代以来,电力在人类社会变得不可或缺,而电池技术的发展也深度融入到历史进程当中如今进入到能源革命时代,电池技术的研发和创新更是成为能源转型的胜负手本文作为的新能源系列篇,也是机电池的开篇,将携手“氢、锂、钠”,认识帆电池的前世、今生和未来
2.钢电池是什么来路?
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1.工作原理第2页共14页如图1所示,锐电池,全称为全锐氧化还原液流电池乍一看这长串的名字,是不是有点懵别着急,我们按顺序一个个拆解第一,所谓全钮,按照字面意思理解,是因为电池的正负极都是帆作为类比,磷酸铁锂电池正极是磷酸铁锂,负极是石墨;铅酸电池的正极是二氧化铅,负极为铅第二,氧化还原,这点大家好理解,即电池的基本原理氧化还原反应的过程有电子得失,电子的移动就形成了电流第三,之所以叫液流电池,是因为正、负极均为液体可以想象成正负极和电解液“合体”了,电池能量直接存储在液态的电解质中当然,有“合”就有“分”,帆电池的电解液和电堆是分开的为了方便理解,我们回顾下锂电池锂电池的正负极之间是充满电解液,通过隔膜分开,电池能量主要储存在固体的电极材料中这也是钮电池和锂电池最大的区别接着再看机电池的工作过程我们所熟悉的“摇椅式”锂电池的工作原理是锂离子在摇椅的两端(正极和负极)来回奔跑,即完成了充放电的过程而机电池并不“存在”正负极,不需要跑远了,只用在自家门前跑一一正负极电解液各自按照既定路线流向电堆即完成充放电的过程第3页共14页电解液储罐」-/Catholyte门派正模电修液•1-泵图1全钢液流电池工作原理示意图
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2.钢电池结构特点因为帆电池的电解液和电堆是相互独立的,电解液单独存放在外部的储罐中,另外由于电解液是无法单独流向电堆的,需要通过外部的泵和管路输送内部所以肉眼可见,机电池就是个大块头举个不是特别恰当的例子,如果锂电池是手机,那么机电池就是座机常见的机电池主要由两个装电解液的储罐、电堆、循环泵和管路组成如果把储罐比作汽车的油箱,电堆就是发动机,储罐中的电解液通过循环泵不断输送到电堆内,电堆则负责充放电机电池的另一大特点是设计灵活,可以按需组合、定制你不同纠结大杯、中杯,还是超大杯展开来讲,帆电池的功率单元和容量单元是相互独立的“解耦设计”,储罐中的电解质决定电池容量,电堆的大小和数量决定电池的输出功率也就是说,要增加电池容量,就相应增加电解液储罐数量;要提高输出功率,只要增加电堆的数量就可实现是不是很像火车的设计?你想多拉乘客,就增加车厢数量;你想加大马力,那就换上大功率的火车头第4页共14页以融科储能的供电池储能系统为例,功率250kW的供电池系统由功率集装箱(20尺)、2个外置储罐、电池管理系统及管路等辅件构成如果需要500kW的机电池系统怎么办呢?将2个功率集装箱串联后,增加2个外置储罐,接入一台500kW变流器,即可实现以此类推,供电池可以组合成更大规模电池组,其输出功率可达数百兆瓦,可以存放数十万度电看到这里,是不是觉得机电池也并不是“一无是处”
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3.钢电池的运行优势
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1.一种可实现化学能到电能往复转换的储能电池近年来,帆电池已成为可再生能源储存、电网调峰、备用电源等领域的首选技术之一钮电池的全称是全帆流电池它是一种大型储能电池,通过帆离子价态的变化,实现从化学能到电能的往复转换,从而储存和释放风能或太阳能产生的力它在业内被形象地称为“电力银行”据了解,美国、日本等发达国家用于电站调峰和风能储存的帆电池行业发展迅速,技术已基本成熟然而,中国的机电池行业仍处于起步阶段据统计,我国帆储量占全球储量的35%,居世界首位,帆产量占全球产量的48%o业内专家表示,帆资源的独特优势为中国机电池行业的发展创造了非常有利的条件2012年,荣科储能公司在沈阳龙源沃努什风电场建成的“5MW/10MWh全机流电池储能应用示范电站”,成功通过辽宁电网和业主验收,各项指标均达到设计要求这是世界上第一座实际并网4年多的5MW钢电池储能电站,标志着公司在该领域的技术研发和成套产品生产处于国际领先水平储能电站直接接受辽宁省电力公司的调度,参与电网的调峰填谷,有效提高了电网对风力发电的接受能力,促进了可再生能源发电的健康发展,促进了节能减排储能系统稳定运行4年多以来,大大提高了风电场输出功率的可靠性与常规发电机组相比,风电场发电具有更大的波动性和随机性,无法根据实际需求随时保证稳定供电“例如,一天下午3点,电力公司将向用户提供50兆瓦的电力,持续两小时如果当时风力不足,它将无法满足所需的电力”王第5页共14页晓丽表示,储能系统对电力的实时吸收和释放,可以使风电场更适应电力系统调度的运行需要,并将其作为一种有效的电力管理方式此外,储能系统在平滑风电场输出和提高风电供电可靠性方面也起着重要作用目前,我国储能产业正处于从示范工程到大规模工业化的关键时期国际知名咨询机构麦肯锡(McKinsey)将储能技术列为改变未来的12项颠覆性技术之一根据国际能源机构(IEA)的数据,到2050年,全球储能市场将达到万亿美元,中国的储能产业也将有万亿元的市场容量帆电池作为当前储能设备的首选技术之一,具有很强的发展潜力,甚至可能改变未来的能源格局根据中国新能源汽车产业发展规划和近年来电池行业数据,帆电池应用的风电储能设备和城市调峰储能设备的市场规模约为
1.6万亿元
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2.安全性好机电池使用的正、负极电解液均为极不易燃的无机水溶液(后面章节会重点介绍),有多安全呢?即使正、负极电解液意外发生混合也不用担心大家都是机离子家族(正极电解液为5价机和4价钮,负极电解液为3价钢和2价钮),不可能“大打出手”的那有人要问了,电池运行过程中温度过高怎么办?确实,和锂电池、钠离子电池等一样,帆电池在充放电过程中也会在产生热量不过帆电池在充放电过程中,电解液是循环流动的,电堆内部产生的热量很容易就可以通过输送管路上的热交换器散热正因如此,帆电池的热管理系统成本也低,设计和维护方便一般采取直冷或空冷的方式进行热管理,类似汽车发动机舱内的冷却系统当电解液温度上升到一定程度时,冷却系统即启动,从而保持电池系统运行在最高效的温度区间
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3.效能高、容量大、敏捷1)功率大通过增加单片电池的数量和电极面积,即可增加机电池的功率,美国商业化示范运行的机电池的功率已达6兆瓦2)容量大通过任意增加电解液的体积,即可任意增加供电池的电量,可达吉瓦时以上;通过提高电解液的浓度,即可成倍增加机电池的电量3)效率高由于机电池的电极催化活性高,且正、负极活性物质分别存储第6页共14页在正、负极电解液储槽中,避免了正、负极活性物质的自放电消耗,帆电池的充放电能量转换效率高达75%以上,远高于铅酸电池的45%4)响应速度快机电池堆里充满电解液可在瞬间启动,在运行过程中充放电状态切换只需要
0.02秒,响应速度1毫秒
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4.电池一致性好对于单个电池,比如手机内置电池或两轮电动车,不用过多考虑电池均一性,但如果是大量电池串联组成的电池包系统,电池一致性可就成为重要指标一般情况,一辆使用方形电池包的电动车上有一百多个电芯,而特斯拉用的圆柱电池更是有上千个电芯随着电池充放电的运行,单个电池的内阻、荷电状态、温度等均会发生不同程度的变化,导致差异性逐渐变大,使得电池系统安全、可靠运行风险增大所以锂电池企业也在制造过程不断提高电池在出厂时的一致性对于供电池,电解质溶液始终是循环流动的,正负极电解液从各自的储罐容器中抽出,最后进入到电堆时自然具有相同的状态,天生就具备不错的一致性
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5.使用寿命长由于机电池的正、负极活性物质只分别存在于正、负极电解液中,充放电时无其它电池常有的物相变化,可深度放电而不损伤电池,电池使用寿命长加拿大VRB PowerSystems商业化示范运行时间最长的机电池模块已正常运行超过9年,充放循环寿命超过18000次,远远高于固定型铅酸电池的1000次先直接抛出结论,帆电池很长寿具体是怎么实现的呢?因为钮电池的电解液在充放电时不像其它多数电池一样发生物相变化
①,电池容量的损耗就很少,所以机电池的寿命往往能超过十年期间当电池使用较长时间,其性能下降之后,可以通过修复电解液活性来恢复一定的性能如果最后锐电池系统寿命到期,电解液还是不会浪费,既可
①不会生成新的物质,始终都是机离子,只不过是不同价态第7页共14页以应用到新的电池系统中,也可以作为锐资源进行提纯加工,最终实现电解液的循环利用
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4.钮电池的缺点1)机电池存在的技术问题主要有两个
1.1)第一,帆电池正极液中的五价帆在静置或温度高于45摄氏度的情况下易析出五氧化二帆沉淀,析出的沉淀堵塞流道,包覆碳毡纤维,恶化电堆性能,直至电堆报废,而电堆在长时间运行过程中电解液温度很容易超过45摄氏度
1.2)第二,石墨极板要被正极液刻蚀,如果用户操作得当,石墨板能使用两年,如果用户操作不当,一次充电就能让石墨板完全刻蚀,电堆只能报废在正常使用情况下,每隔两个月就要由专业人士进行一次维护,这种高频次的维护费钱、费力2)另外,机电池成本过高以一个五千瓦电池为例,电解液(一立方,
1.8mol/L)17万、控制系统10万、隔膜7万、板框4万、石墨板
1.5万、泵
0.7万、碳毡
0.4万,总共
40.6万,这只是主要材料成本,没计入次要材料成本和人力成本因此,一个五千瓦机电池的成本在四十万以上,高出相同规格铅酸电池的成本数倍3)从环保的角度来说,钮电池压根就不环保,配制电解液用到的原料、正极沉淀以及泄漏的正极液经风干后形成的薄层都有一样相同东西,那就是五氧化二钢,它是一种剧毒化学品
3.已有“氢、锂、钠”,钢电池作何之用?行文至此,大家己经熟悉机电池的特点一一安全性高、循环寿命长、容易扩容、对环境友好可在我们日常生活当中,却几乎见不到机电池的身影究其根本,帆电池短板同样也明显一一体积大、能量密度低,还有成本尤其是电解液和电堆分离设计导致的占地面积大确实是硬伤光论这一点,显然跟我们的日常使用场景格格不入手机、家用电器等对电池的要求是体积越小越好,就连电动大巴车的底盘里也巴不得能多装进一块电池第8页共14页为什么能量密度低呢?其实这是由“出身”决定的钮电池的电解液是储存在罐子中,占地空间己经不小了,同时还需要用泵来维持电解液的流动,这也造成不少的能量损耗,目前机电池的能量转化效率为70〜75%,大幅低于锂电池90%同时,机离子的溶解度较低,正负极的电解液无法达到理想中的高浓度最终,以上因素叠加导致机电池的能量密度低的有点上不了台面,仅为12〜40Wh/kg这是什么概念?比因为笨重而饱受诟病的铅酸电池的能量密度还低如果和锂电池相比,要存一样的电,机电池的体积一般要大5倍以上所以,我们也很容可以得出结论智能手机、便携家用电器等消费品根本不是帆电池的“菜”那些想蹭一波热点,认为机电池要撼动锂电池地位的想法显然是片面的,毕竟他们压根就不在同一条跑道上接着再来看看成本锐电池初装成本较高可以说是饵电池最大的缺点,也是制约行业发展的一大痛点目前机电池价格仍然是锂离子电池的2倍以上,跟成熟的铅酸电池相比更是没有价格优势表1国内部分钢电池项目信息及成本计算8ft MWh■■♦a X200**KKXWh大式zoo100食!!■”3a4J IMCO*♦广18JOO loouw1010XttlWSR AO10IK”■皿0M0fUI Awoo1114M612上■・气餐・嬉《“依£・公•格
0.9・到这里,想必有不少人看不下去了,既然机电池体积大、能量密度低的问题基本无解,大部分使用场景被拒之门外为什么资本市场还要把机电池拿到台面上讲,难道真的是爆炒一波?中国有句名言尺有所短,寸有所长相比锂电池这样轻便灵活的“移动硬盘”,帆电池更像是大容量“硬盘”帆电池有着大规模、高安全、长寿命的技术优势,能够在大规模、大容量的场景发挥比较优势,最典型的应用场景就是配套风电、光伏的储能对于成本方面,我们的看法是,现阶段机电池确实是比锂电池贵不少但看一个技术的前景,也要看它未来的成本下降空间,能否靠技术改进和规模化来驱动客观的讲,过去锂电池也同样遇到成本高的问题还有现在钠离子电池和氢燃料电池也一样面临成本高的问题第9页共14页。