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气候变化与电池:寻找未来储能决方案.pdf
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气候变化与电池:寻找未来储能决方案.pdf
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气候变化:电池气候变化与电池 1
思路
• 对锂离子电池的研究将降低成本、延长使用寿命、提高
能量密度、提高电动汽车 (EV) 和电网应用电池的充电安
全性和速度。
• 研究和管理可以使电池更加可持续,更容易回收且使用
更久。
• 协调的国际努力应侧重于识别和测试新的地球资源丰富
的材料,以降低成本、扩大电池的使用并最大限度地减
少电池生产对环境的影响。
• 如果给予足够重视,将会开发出成本更低、能量密度更
高的全新类型的电池。
气候变化:电池 |
简报 6
气候变化与电池:
寻找未来储能决方案
概要
在净零世界中,低碳运输和稳定的电力供应需要更强大、
更持久、更快充电的电池。可持续电池还需要使用丰富的
材料和零碳制造工艺。可充电电池是存储可再生电力的最
有效方式,尽管重量、体积和成本使某些应用变得不切实
际。它们被用于储存能量,为电动汽车、无人机、轻型飞
机以及越来越多的大型车辆提供动力,以及在短期内将电
力储存在高度脱碳的微型和大型电网上,以确保电网稳定
性。目前,并不认为它们可提供非常大的能量存储,例如
平衡季节性电网变化。锂离子电池 (LIB) 是目前这些应用
中最可行的短期电池技术。锂离子电池相关研究的重点是
提高能量密度、降低成本、延长寿命以及电池回收和再利
用。从长期来看,研究人员正在探索使用其他材料和技术
的下一代电池,以实现更广泛的经济电气化。
2 气候变化:电池气候变化与电池
1. 电池储能和气候变化
1.1 背景
全球零碳能源的主要来源将越来越多地来自可
再生能源发电。使用电池储能的能力将成为任
何零碳能源系统的关键部分。电池将在脱碳运
输方面发挥重要作用,并作为脱碳微电网的主
要存储介质、服务于社区规模的自给自足电力
系统以及稳定大型电网的方式。它们还将在工
业中更广泛地用于为电机、加热器、压缩机和
机械提供动力。
运输占燃料燃烧直接 CO
2
排放量的 24%
1
。由储
存在电池中的电力驱动的电机是在多种形式的
汽车和轻型车辆中取代化石燃料发动机的主要
竞争者。甚至燃料电池驱动的车辆也将配备辅
助电池。能量密度,即每单位重量或体积和寿
命可容纳多少能量,是所有电池类型的重要参
数。使用寿命是根据循环寿命、可以充电和放
电的次数以及日历寿命来进行衡量的,它可以
存储的时间以年为单位。
用于新应用的可充电电池市场目前由锂离子电
池 (LIB) 主导。它们最初是为手机和笔记本电脑
而开发的,现在更大规模地用于电动汽车
(EV)、卫星和其他设备。锂离子电池正在为越
来越多的电动汽车提供动力,2019 年全球电动
汽车车队(包括混合动力车和全电动汽车)超
过 700 万辆,预计到 2030 年这一数字将增长
到 1.5-2.5 亿
2
。电池芯价格(即不包括包装成
本)的成本已从 2010 年的每千瓦时 (kWh) 超过
1,000 美元降至 150 美元/千瓦时以下
3
,在一些
报告中甚至低至 100 美元/ 千瓦时
4
。低于
100 美元/千瓦时的成本被广泛预计为代表着电
池与 ICE 竞争的起点,最近的报告表明,该成
本目标已经在某些行业实现。
新型电动汽车的典型续航里程现在约为
200 英里
5
,但快速充电的能力和更大电池的
成本仍然是未攻克的挑战。实验室取得了重
大进展:例如,研究人员报告称,一种电池
预计可持续 10,000 次充放电循环,相当于约
200 万英里的行程
6
,但还需要确保较长的日历
寿命,以及在更大的电池组中使用更便宜但能
量密度高的商用电池芯。
在电网中,电池的规模和成本已达到高峰需求
时间的短期(通常少于 90 分钟)额外电力所
需的规模和成本
7
,以支持可再生能源发电。
预计到 2030 年,定置型应用的电池总容量将
从 11 千兆瓦时左右增加到 420 千兆瓦时
8
。自
2015 年以来,美国公用事业规模电池的成本下
降了约 70%
9
。然而,放眼全球,成本的挑战,
以及与水电和压缩空气等替代品竞争所需的能
量密度和大规模挑战,迄今仍使得电池无法长
期存储(超过 24小时)。在电动汽车中使用电
池在微型和国家电网的电网存储方面发挥着重
要作用,因为它们可用于向电网供电以及从中
获取电力。这一发展提出了扩大电网以提供更
多能源的挑战,但也提供了访问额外的电网存
储和电网平衡资源的机会。
电池芯价格的成
本已从 2010 年的
每千瓦时 (kWh) 超
过 1,000 美元降至
150 美元/千瓦时
以下
气候变化:电池气候变化与电池 3
锂离子电池的工作原理
电解质 电解质
分隔膜
放电电子流
充电电子流
阳极 阴极
锂离子放
电流
锂离子充
电流
锂离子电池的主要组成部分是两个电极 — 阳
极和阴极,电解质 — 一种液体、凝胶或固体
物质,以及一个浸泡在电解质中的多孔聚合物
隔膜。电解质通常由溶解在有机溶剂中的锂盐
形成。电解液中添加了各种添加剂以提高安全
性和性能。
在使用或放电时,(负)阳极会释放流经外
部设备(如电机)的电子,然后返回电池的
(正)阴极。为了平衡这种电子流,带正电的
离子或阳离子在电池内从阳极通过电解质和隔
膜流向阴极,在那里它们与电子重新结合。充
电时反向流动,离子返回阳极。
在阴极获得电子被称为还原,在阳极失去电
子被称为氧化,整个反应被称为“氧化还原”
过程。
值得注意的是,锂离子电池中没有金属锂。锂
离子 (Li+) 能够在大范围电压内快速可逆地插
入或嵌入到固体电极中,从而能够构建高压电
池芯。阴极通常由锂过渡金属氧化物制成,例
如锂镍锰钴氧化物 (NMC) 和磷酸铁锂 (LFP)。
阳极通常由石墨制成,因其具有竞争力的成本
和可逆储存许多锂离子而不降解的能力而被使
用。铝和铜集电器通常分别用于阴极和阳极,
以提取或插入电子。它们与电池外部的电子设
备相连。
例如,电池在一个循环中提供的能量(其能
量密度 - 即容量 x 电池电压)决定了电动汽
车的续航里程或电池对电网平衡的贡献。重
量能量密度以瓦时每公斤 (Wh/kg) 表示。电动
汽车电池的典型能量密度已从 1990 年的不到
100 瓦时/公斤增加到了现在的 250 瓦时/公斤
以上
10, 11
。
专栏 1
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