锂基储能材料在低碳交通中的关键应用

文_唐仪 邹洪涛 沈志萌

1 黔南民族师范学院 2 湖南龙联环保科技有限公司

1 选题背景

近年来世界范围内把绿色产业当成推动当地社会经济发展的重点产业进行重点扶持，日本、德国、美国等发达国家也不约而同地将低碳交通领域的尖端技术列入国家发展战略方向，部分技术还被列入了禁止出口的名录。宣传低碳理念、打造低碳城市、发展低碳经济是当前的必然选择。为解决环境污染和化石燃料短缺这两大社会十分关注的问题，可以利用锂基储能材料在城市公共交通动力源领域方面的相关技术发展，从汽车的动力源这一领域入手，推出新能源绿色交通工具如锂电池电动汽车、锂电池电动城市公交车和锂电池电动地铁巴士等。锂电池是这些绿色交通工具的核心能源和动力系统，而锂基储能材料广泛应用于其中，不仅缓解了能源短缺的问题还促进环境的可持续性发展，进一步提升了绿色出行装备水平。

2 主要锂基储能系统的工作原理

2.1 锂金属电池

锂金属电池是用金属单质锂作为电极负极材料的一种储能电池，主要以电子传递产生电流，比能量极高，早期分为一次性电池和可充电锂电池，但在可充电锂电池发生事故以后，可充电锂电池处于停用状态。而纽扣电池等一次性锂金属电池是不可充电的，存在成本高和环境污染等问题。近年来，随着人们对高能量密度电池的需求，我国开始投入到锂金属电池的研究当中。随着技术的发展，锂金属电池以其工艺简单、造价较低和能量密度大等优点，正逐渐发展成为现有以锂离子电池为主的高能量密度储能体系的重要补充。

锂金属电池的储放电功能的实现，在电解液的作用下形成电势差，作为阴极的金属锂失电子，而其他无机或者有机化合物作为阳极获得电子，进而形成电流。

2.2 锂离子电池

锂离子电池是由锂金属电池演化而来，以锂合金金属氧化物作为负极材料，而正极材料通常为化学性能稳定的石墨，使用非水电解质的一种电池。经过数十年发展，锂离子电池的性能已经得到了普遍提高，成为生产生活中最主要的化学电能供给形式。其中，负极材料对锂离子电池的性能起决定作用。锂离子电池具有循环寿命高、比能量大、自放电小、电压高等特点，故应用广泛。市面上的锂离子蓄电池，不仅性能良好，而且最重要的是绿色环保。当前，社会对高效能电源的需求急剧增长，锂离子电池已成为主力军。

锂离子电池主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作，通常称为“二次电池”。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌。充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态，这就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就在摇椅两端来回运动，所以锂离子电池又叫摇椅式电池。

2.3 锂聚合物电池

锂离子聚合物电池是由锂离子电池演化而来，锂聚电池和锂离子电池最大的差异是电解质不同，是一种化学性质的电池。具有能量高、小型化、轻量化的特点。在快充电技术快速发展的时代，相对锂离子电池来说，锂聚合物电池更为安全和耐用性高，而缺点是其充电电容量较小。锂聚合物电池在高端和中端设备中得以广泛应用，在智能手机行业正在慢慢取代锂离子电池。

锂聚合物电池有液态锂离子电池（LIB）和锂聚合物电池（PLIB）两类。其中，液态锂离子电池是指Li+嵌入化合物为正、负极的二次电池。正极采用锂化合物LiCoO2，LiNiO2或LiMn2O4等材料的方案市场化程度较高，应用最为普遍；而负极采用锂-碳层间化合物LixC6。

典型的锂聚合物电池释放电能化学反应体系详见图1。

图1 锂聚合物电池放电时化学反应过程示意图

3 锂基储能材料在低碳交通中的应用

3.1 绿色出行方式的推广和普及

绿色出行是指采取相对环保的出行方式，通过碳减排和碳中和实现环境资源的可持续利用和交通的可持续发展。要想倡导低碳理念，离不开绿色出行方式。汽车的发明带来了出行的高效和便捷，但同时也产生了环境污染和能源消耗问题。汽车是二氧化碳主要的排放源之一，全球交通耗能常年仅次于工业用能，增长速度居各行业之首。一辆公共汽车约占用3 辆小汽车的道路空间，而高峰期的运载能力是小汽车的数十倍。它既减少了人均乘车排污率，也提高了城市效率。而地铁的运客量是公交车的7 ～10 倍，耗能和污染更低。因此，要从路程、经济、便捷、时间等多个维度考虑，绿色出行是解决环保、交通等多项社会热点问题的有效途径。

中国向世界承诺二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。碳中和意味着在2060年以前，燃油车辆将被电动汽车或氢燃料汽车全面以代之，电力驱动型汽车逐渐替代传统化石燃料汽车已成为不可逆转的趋势。在绿色出行方式的推广和普及上，要大力推进绿色车辆规模化应用，加快充电基础设施建设，构建便利高效、适度超前的充电网络体系建设，大力培育绿色出行文化，进行绿色出行宣传和开展“无车日”活动。

3.2 锂电池成为新能源交通工具的核心能源

3.2.1 锂电池电动私人汽车

锂电池电动汽车是指以动力电池作为汽车的核心部件和主要驱动力的机动车辆，常被称为新能源汽车，普遍采用高性能、循环寿命长、成本低的锂离子电池。面对日趋严峻的能源形势和巨大的减排压力，节能环保的新能源汽车代替传统燃油汽车是必然发展趋势。在国家政策的支持下，我国新能源汽车产量快速增长，未来我国将成为全球最大电动汽车及动力电池消费市场。锂离子电池以其优异的电性能、无环境污染等优点，是公认的最具发展潜力的电动汽车用动力电池，未来具有广阔的市场应用前景。2020 世界新能源汽车大会指出，新能源汽车产业正进入加速发展的新阶段，不仅为各国经济增长注入强劲新动能，也有助于减少温室气体排放，集聚全球智慧和力量，加速突破新能源汽车市场化障碍，加快推进“电动化、智能化、共享化”融合发展。

3.2.2 锂电池电动公交车

公交系统作为城市交通中使用最为普遍的交通工具，也是城市空气污染的重要来源。在此背景下，随着化石燃料存储量的日渐衰竭和世界各国节能减排战略的提出，电力驱动型汽车正逐渐替代传统化石燃料汽车进入市场，而电力驱动型公交车也日渐成为新型公交车的发展趋势。

3.2.3 锂电池两轮电动车

为规范电动自行车和电动摩托车的生产和使用,中央及地方各级政府部门专门发布了《电动自行车安全技术规范》（GB17761-2018）（一般称为“新国标”）和《电动摩托车和电动轻便摩托车通用技术条件》（GB/T24158-2018）等多项法律规章。根据《新国标》技术规范，两轮电动车可划分为三类：电动自行车、电动轻便摩托车、电动摩托车。

2020 年，中国两轮电动车销量达4760 万辆，根据《新国标》的规定，从过渡期之后的2021 年开始，超标两轮电动车开始集中清退，为此主要生产厂商集中到了雅迪、爱玛、小刀等头部企业，各符合新国标要求的生产优势方纷纷制定了两轮电动车巨量销量目标，也推动了高性能锂电池的普及和应用。同时，共享电动自行车团体运营政策，也为两轮电动自行车共享出行提供了更稳定的发展环境。

3.3 锂基材料储能电站为低碳交通提供新型储能解决方案

3.3.1 大型电网储能系统在低碳交通中的保障作用

储能是解决新能源风电、光伏间歇波动性，实现“削峰平谷”功能的重要手段之一，在大型电网储能系统储能领域作为锂离子电池新兴应用场景也越来越受到重视。中国光伏装机容量、年发电总量居世界首位，而锂电储能在可再生能源并网、用户侧、电网侧以及辅助服务四个最重要的领域发挥着更重要的作用，目前商业化程度较高的锂离子电池储能电站应用场景主要包括储能应急电源车、储能固定电站和通信备用电源。

3.3.2 锂基材料储能电站的基本技术方案及相对优势

应急锂电储能车或兆瓦级锂基材料固定储能电站的工作原理都是通过逆变器将大功率的锂离子电池组直接转为单相、三相交流电。平时只需自由选择充电时段对电池组充电，当锂离子电池组充满电后，可随时调用。储能电池是太阳能光伏发电系统不可缺少存储能电能部件，其重要功能是存储光伏发电系统的电能，并在日照量不足，夜间以及应急状态下为负载供电。

（1）锂基材料储能电站基本工作原理

充电。应急锂电储能车或兆瓦级固定储能电站，快慢速充电方式是通过选择不同的充电电流，控制充电时间的长短。当智能化管理系统监控检测到任何一个单体锂离子电池电压达到设定值时，则自动终止对电池组充电。

放电。一般是根据用户要求设置应急储能车或兆瓦级固定储能电站专门设计大功率三相输出接口和常规单相输出插口两种。

（2）锂基材料储能电站基本技术方案及相对优势

储能应急电源车由锂离子电池组、逆变器、电池管理系统等组成，平时只需自由选择单相或三相交流电对电池组充电，当电池组充满电后，可在一年内随时调用。常见的100kW、1000kW、5000kW、兆瓦级移动式应急储能车可用于国防军事领域、民用救灾抢险或大型公共活动场所供电。

储能固定电站一般由锂离子电池组及BMS 管理系统、PCS 变流系统、EMS 能量监控系统、辅助系统（包括温控、消防等）组成。储能电站结合新能源发电系统，成为独立微电网的分布式电源。适用于无电、缺电地区供应可靠电源，也可以为大电网供应移峰填谷和调峰调频服务，电池储能电站可与分布/集中式新能源发电联合应用，是解决新能源发电并网问题的有效途径之一，将随着新能源发电规模的日益增大以及锂离子电池储能技术的不断发展，成为支撑我国清洁能源发展战略的重大关键技术。

（3）通信备用电源

通信备电的市场重要包括两部分，一是新建基站的储能构成每年市场的增量；二是存量基站电池的到期替换构成每年市场的基础量。

中国铁塔公司宣布自2018 年起不再采购铅酸，考虑到梯次电池规模不足以满足，因此在2020 年前后会有一波锂电采购替换的需求集中出现。再加上每新建5 ～10 万个基站，将带来1.2 ～2.4GWh 的锂基材料储电需求，合计将有每年10GWh 左右的电池需求，由铁锂离子电池和梯次利用电池满足。

3.3.3 锂基材料储能电站的技术发展和市场展望

到2020 年中国对于动力锂离子电池能量密度的指标是300Wh/kg，随着国家补贴的退坡，锂基材料储能电站将面临新一轮技术快速变革。

正极材料方面，新一代高比能锂离子电池正极材料的研发重点放在了富锂锰基材料方面，锂硫电池正极利用双“费歇尔酯化”的模块组装方法，将分散的导电碳组装为椭球型的微米超结构，电池能量密度达到545Wh/kg；新型负极材料方面，技术主攻方向为无黏结剂电极，通过提供更多电化学位点来提高电极比容量；安全性方面，研制出温度敏感电极、陶瓷高强隔膜、安全电解质等显著提高了电池的本征安全性。还研制出基于纳米TiO2与离子液体的新一代凝胶固态电解质，具有高室温电导率与显著的安全性（1300℃/60s不燃）；回收再生和再利用方面，天然有机酸绿色高效回收技术，钴、锂、镍的浸取率达到92%以上，废旧电池的负极，由于碳价格不高，转而主攻做成了碳吸附剂，可以用来吸附磷，回收材质含磷量高达588mg/g。