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落基山研究所

我们需要的电池不仅仅是用于电动汽车

锂离子电池组件

随着过去几年里锂离子电池制造厂产能的大规模建设和近期进一步扩张的承诺,电池存储成本继续大幅下降。不断下降的成本,加上不断改善的性能,使新的电池应用成为可能,这将极大地加速能源转型。

对许多投资者、政策制定者和系统规划者来说,除了价格之外,最受关注的表现特征往往是能源密度或安全性等指标。在未来五年,然而,改进针对电池退化(生命周期)可能更重要——不仅对电动汽车推广,也为开放新应用等电池汽车电网服务,第二人生用途电池不再适合流动的目的,和长期存储。这些应用可能会极大地改变电池的经济性,并在此前未开发的价值链上开辟新的机遇领域。换句话说,在加速向清洁能源系统过渡方面,它们将成为游戏规则的改变者。

并非所有的锂离子电池都是一样的

许多人没有意识到的是,锂离子电池包括多种多样的电化学储能装置。洛基山研究所的"突破电池报告指出,锂离子电池有很多种类型,都有不同的性能特点和优缺点。各国、研究机构和制造商都在大量投资于研发,以追求更好甚至更便宜的电池,主要是锂离子电池。

最近,特斯拉声称已经开发出一种锂离子电池,这种化学物质可以实现100万英里在其生命周期内,表明在退化性能方面有显著改善。虽然最明显的含义是使用相同的电池可以行驶100万英里(这一功能对机器人出租车很有用),但电动汽车电池寿命的改善对扩大电气化的使用有许多其他含义。

目前的锂离子电池可能很难货币化,以供大量的二次生命应用选择,因为电池健康状况的可变性和循环寿命和安全性的急剧下降。

锂离子电池的退化有几个因素:时间;数量的周期;骑自行车的深度;和温度。根据能量密度优化的锂离子电池,如NMC或NCA阴极化学,在历史上,如果它们常规完全放电(100%深度放电),循环寿命会更短。

今天生产的另一种最常见的锂离子化学物质是磷酸铁锂(LFP),它更重,能量密度更低(不适用于轻型车辆),但循环寿命更长。

新的机会来自更长的循环寿命

高能量密度锂离子化学物质循环寿命的显著提高,将是实现电动汽车快速充电、汽车到电网的能力和更长的存贮时间,包括利用二次电池的重要一步。然而,这些改进也带来了挑战:

快速充电

快速充电是未来电动出行的重要组成部分,因为如果电动汽车不能提供比现在更好的功能和便利的交通,那么提供同样的功能和便利也是至关重要的。然而,某些类型的锂离子电池劣化率是显著的当它们快速充电或放电时。阴极和电解质的改善,减轻恶化的严重程度和延长电池寿命,将减少快速充电的负面影响。

汽车电网(V2G)充电

汽车在平衡电网方面发挥作用的想法令人兴奋,但也充满了挑战。这两个日产菲亚特都在进行V2G机型的试飞员试验。同样,电动汽车电池会随着充放电循环而衰减。电池保修供应商对降低这些资产的移动能力来换取电网的一小部分补偿不感兴趣。

如果不能改善电动汽车电池的循环和寿命,那么鼓励汽车充电所需的定价率很可能会太高。为了提供这种平衡能力,可能需要不同的和额外的能源存储投资。

例如,将本地能源存储与快速充电基础设施相结合,仍然可以产生这些好处,同时也可以减缓快速充电带来的需求激增的影响。如果没有显著的电动汽车电池性能改善,仅靠电动汽车就不太可能提供分布式电网平衡或局部恢复能力。

长期持续存储

绝大多数并网电池项目的目标是短期存储事件,但随着电池成本的下降,此类项目的平均持续时间从2015年的1.5小时增加到今天的2.2小时。除了额外的能源会增加项目成本之外,锂离子存储项目的开发者通常还会将他们所需的能量增加10%到30%。这种额外的容量有助于减少电池完全放电的次数,并允许一些退化。

随着长时间存储市场的成熟,提高电池寿命将是必要的,以提供信心的剩余能量含量的改造电动汽车电池,以匹配剩余价值的使用情况。

此外,如果可能,长时间的安装通常会优先考虑短时间的机会,包括辅助服务或短期能源转换(15分钟)。

电池开发商和资产所有者对这些短期市场的偏好,可能会削弱电池对电网的弹性收益。具有更好的寿命和性能的电池将不需要有同样多的缓冲容量或担心电池退化成本。因此,更长期的项目将安装,更经常地使用其完全安装的能力,从而显著提高电池项目的经济性。

系统规划者、监管者和投资者在设计和选择系统时应考虑这些属性。

第二寿命电池,长期存储

锂离子LFP已经拥有相对较长的循环寿命,是许多电网安装的合理选择。但是,基于零部件材料成本,LFP的最终价格下限预计在60美元/千瓦时左右。对于高渗透可再生能源所需的长时间季节性储存来说,这可能太高了。在世界上较冷的地区尤其如此,这些地区面临冬季能源需求高峰,但资源有限,有时会持续很长一段时间。

Form Energy一直在用其创新的专利技术解决这一问题,目标是资本成本低于10美元/千瓦时。最近该公司签署了一项协议,以证明150小时持续存储项目与大河能源合作,一个重要的里程碑和进步为能源转型。

第二寿命锂离子电池可能是另一种经济的长期存储解决方案,因为其较低的成本可以满足必要的门槛。这将需要锂离子生态系统的建设,包括电池的收集、测试、回收和处理。

目前的锂离子电池可能很难货币化,以供大量的二次生命应用选择,因为电池健康状况的可变性和循环寿命和安全性的急剧下降。到目前为止,第二生命期锂离子电池主要用于电信塔的弹性应用,但是一些公司正在测试第二生命网格应用程序。

随着长时间存储市场的成熟,提高电池寿命将是必要的,以提供信心的剩余能量含量的改造电动汽车电池,以匹配剩余价值的使用情况。此外,锂离子市场整合到更少的化学物质和制造商之间的共享标准将极大地帮助第二生命市场跟踪和解决这个问题。

展望未来

对电网的前瞻性展望包括快速充电、车到网能力和包括二次电池的长时间储能。随着电动汽车电池寿命的提高,这些新出现的用例将大大加快。

投资者、系统规划者和决策者在寻求激励和投资存储解决方案时,应该考虑循环对实现未来用例的影响。这应该包括建立一个强大的电池供应链,越来越标准化,可以监测和比较第二寿命电池的剩余寿命。

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