储能专用电芯白皮书 2024.docx

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1、IrinaStorage天合储能储能专用电芯白皮书天合电为储能系统而生电芯特征与发展趋势专用化特征及优势储能电芯是一种用于储存电能的装置,通过电化学反应将能量存储起来,并在需要时释放;它是储能系统中的最小单元,主要由正极、负极、电解液和隔膜等组成.按照材料类型分为铅酸电池、澳氢电池、锂离子电池、钠离子电池、燃料电池等（图1）;按照封装形式分为方形、圆柱和软包电池三类（图2）;不同型号和容量的储能电芯也会应用于不同的储能产品,如户用储能、工商业储能、源网侧大型储能电站等.图2（图片来源于网络）图1（图片来源于网络）全生命周期度电成本1.CoS（1.eVeliZedCostofStorage）是最

2、直接、客观衡量储能系统价值的重要指标,结合客户需求导向和不断拓展的应用场景,在电芯层面,主要有以下几个特征：S长循环寿命随着风光配储场景的加速渗透,光储一体化的行业发展趋势愈好,风光储如何高效协同、深度融合发展,实现光储同寿,对电芯的循环寿命提出了更高要求.S高一致性储能电芯的高一致性使电池系统更具可靠性和稳定性才是高转化效率.高一致性电芯在使用过程中可有效减少容量损失、减少内阻增加趋势、延长使用寿命,使电池系统具有更高稳定性;同时,更高的转化效率可带来系统更高的能量吞吐量,从而降低全生命周期度电成本.S优安全性在储能领域,安全是红线.在激增的市场需求下,近年来全世界各地频发储能电站失火事件,

3、据不完全统计,从2018年至2022年期间,世界范围内储能电站着火事件将近40起,储能系统安全性受到高度关注.电芯本征安全是储能系统安全的前提,提升本征安全才能保障新型电力系统安全稳定运行1口双碳”目标的安全实现。S大容量目前国内百兆瓦级储能项目不断增加,在此背景下,市场对储能系统、电芯的容量要求越来越大.大容量电芯的配套可提高单舱的功率密度,减少项目占地面积,节省投资成本;同时,大容量电芯减少串并联回路数,减少木桶效应带来的容量衰减问题,延长使用年限,提升运行收益。储能电芯技术路线储能的本质是为了解决供电生产的连续性和用电需求的间断性之间的矛盾。储能技术将发电与用电从时间和空间上分隔开来,用

4、电和发电不需要实时平衡,突破了电网电能不能存储的限制,彻底改变了电网的调度、运行以及规划等的模式。规模化储能应用于电力系统的发、输、配、用各个环节,可有效减少短时电力中断,缓解高峰供电压力,延缓或者减少电源和电网的投资建设,提升电网的可再生能源的接纳能力,更灵活地实现电力在发电侧、电网侧以及用户侧的稳定运行。因此,储能专用电芯是一类战略性的新能源大基建产品,需具备高安全并且平价的特质,安全和降本将是储能电芯技术发展的永恒主题。从储能全生命周期成本结构剖析,大容量、长寿命、高能量密度、高能效及高温技术有助于储能经济性的进一步提高.S高安全是储能发展的基石随着储能单站规模增大,以及储能电芯总体出货

5、和装机规模的快速增长,大众愈发关注储能安全,储能安全政策也愈发趋严.电力储能用锂离子电池安全新国标将于2024年7月1日正式实施储能电芯安全标准进一步完善。在电化学体系选择上磷酸铁锂电芯具有更为优异的本征安全性能相对放热量液燃烧SEl膜分解石墨负极与电解液钻酸锂正极银钝铝正极SH古钱正极石墨负极与黏结剂大规蝇路适酸俚正极硝酸铁锂正极电解质分解高温容Il衰减骤涂层隔膜崩溃5010015020Q250300350400450图4锂需子电池内各组分材料献佚控放热量S大容量电芯可以促进极致降本大容量电芯在电芯设计上可以减少单位Wh结构件用量,并且提高设计的空间利用率,降低电芯BoM成本.在电芯制造上,

6、可以在相同人力及能效下,提高产能.在系统集成端,大电芯能够减少电芯和连接件数量,从而提高一致性和降低运维成本;同时,能够减小占地面积和减小施工工程量.S高温电芯可以促进系统极致降本一般储能系统运行时需要温控系统调控电池舱内温度在25。C左右,高温电芯可以在电池舱内温度极高的情况下正常工作,从而可以减少温控系统的一次投入及运维投入.并且,高温电芯的能量效率更高,可以减少能量损失.S长寿命降低1.COS,匹配新能源风、光电站设计寿命的储能电芯寿命在100OOdS18000ds)储能是智能电网不可或缺的一环,储能电芯的寿命趋势将向电站核心部件的设计寿命对齐.表1给出了对应不同类型电站的储能电芯寿命。

7、2h储能电芯寿命,每天充放电一次,对应于风、光发电站的寿命分别为800010000ds;每天充放电两次,寿命分别为1500018000ds.若为4h储能电芯寿命,每天充放电一次,对应于风、光发电站的寿命为8000100OOds.火力发电机水力发电机核电光伏组件风力发电机发电站设计寿命,年15-3020-4030-4020-2520-25储能寿命表1匹峻三三g朝寿命ICyde氏5475109507300-146001095014600730091257300-91252cyde天1O95O219146002920021900-292146182501460018250图5智能电网与懒院统S从终端

8、用电特征分析,储能配储时长在l-4h的经济性最高随着智能电网的快速建设,配网中积累了大量的电力数据,这些数据中蕴含着丰富的用户信息,使得精确分析电力用户用电行为成为可能.通过数据挖掘方法,探寻用户用电行为规律,可以为不同用户的负荷预测、用户需求侧响应、个性化电价制定等应用提供数据支持,充分利用用户数据的潜在价值,能够指导储能电池的技术发展,让储能更好地服务于保障用户用电的安全性.用户行为往往受到多种因素的影响,有日特征和季节性，分析时常用的方法是对负荷曲线进行模式提取,迅速、准确地挖掘用户用电行为中隐藏的行为规律.电网运营商需要随时平衡一个地区的发电量和电力需求.在大多数个人消费者休息和许多企

9、业消费者打洋期间,需求在一天之内是最低的.早上,随着人们醒来,企业开始营业,需求开始增加。需求全天保持上升,晚上随着人们下班回家和居民用电量的增加而略有上升,然后在深夜再次下降。从网上可查询的全球各地用电特征零散信息统计来看,一般的用电尖峰时段时长在l-2h,峰时段在2-3h.数据果集用电负荷图6用电负荷模型构建及应用特征分析模型构建三三1季节周期性分布拟合用电负荷用模型应用储镇应用日内调节季节调节时段尖蛭时段峭寸段fl寸段谷时段上午ia30-ll:308:30-10:307:00-8:301130-12:00时K/h122下午时间J13O-186.5妣同19:0021:0018X)0-19:

10、0021:00-238-23:00-7:00时长/h238表2TSffl电蝴段特征S从未来光伏配储分析,2030年前2h-4h为主f可持续发展的电网应能在电力能源生产、消费和交易中提供环境和经济两方面优势。随着化石能源短缺及环境污染问题的加剧,风、光发电技术及产业规模正在世界范围内迅速发展.风、光等新能源具有极热无风、晚峰无光的反调峰特性,将给电网带来15%-30%的反调峰压力.鸭子曲线”表明,在极热极寒无风、连续阻雨等特殊天气下,为维持电力系统稳定、保障电能供应质量,新能源并网规模扩大对常规能源迅速进行调峰、调频的要求更高。因此,配置储能的模式为解决调峰调频需求的有效方案.鸭子曲线意味着两个

11、与太阳能应用增加有关的挑战。第一个挑战是对电网压力.从中午到深夜,传统发电厂对电力的需求急剧波动,此时能源需求仍然很高,但太阳能发电量已经下降,这意味着传统发电厂（如天然气发电厂）必须迅速增加电力生产,以满足消费者需求。这种快速增长使电网运营商更难实时匹配电网供应和电网需求.此外,如果生产的太阳能超过了电网的消纳量,运营商可能不得不减少太阳能发电,以防止过度发电.鸭子曲线为能源储存创造了机会.大规模部署电池储能系统,可以将白天产生的部分太阳能储存起来,并在日落后进行释放.白天储存太阳能发电会使鸭子的腹部曲线变平,晚上调度储存的太阳能发电会缩短鸭子的“脖子，平抑鸭头.鸭腹储存太阳能的时长跨度在4

12、h-8h,鸭脖”储能放电时长跨度2h-3h,鸭头”储能放电时长跨度在2h-3.5h.鸭子曲线并不是加州独有的,它越来越多地发生在美国其他地区和世界各地,因为这些地方的太阳能发电份额正在增加。根据IHS的预测,2030年前,配储以2h-4h为主.OO:OO06:OO12:0018:OOSource:CaliforniaISO图7蚪劲的I电力负荷济轴廊曲线基于上述分析,能够最大化推动储能商业化进一步发展需要的储能电芯的技术路线归纳如下大容量电芯局）温电c/长寿命电芯高效能电芯极致安全SOOAh+35000300002500020015000100005000时间推卷时间推移Siao%o%95舟30

13、0Ah+Iill10天合芯技术创新全栈自确幼天合芯坚盘虫立自砒掌握电芯的开发、测试、验证等环节的技术核心同时结合对光储一体应用场景的深刻理解与洞察,转化为储能专用电芯的技术要求、成本控制以及综合性能工况最优解.天合储能先进储能电池册究院以智能化研发中心为荤引,建立了前瞻创新、机理研究、材料预研、工艺研发、设备开发、模型仿真、产品开发、测试验证、和项目管理九大平台,并配置了研发数据库支持平台,实现了机理、材料、工艺、电芯研究全维度温盖和前瞻技术布局,以“计算+验证”相闭环,让电芯设计更安全、更高效、更低成本.天合芯全栈自研,用领先技术打造优质解决方案,创造更高客户价直智能化研发中实验验证前腌创新

14、机理研究材料预研工艺研发设备开发模型仿真产品开发测试验证项目唾平台平台平台平台平台平台平台平台平台$蜘技平台$*$图10全栈研发能力材料创新目前,在电化学储能市场中,锂离子电池尤其是磷酸铁锂电池占据主要市场.磷酸铁锂具有能量密度高、安全性高、循环性能优异、生产成本低、环境友好等特点,并且我国磷酸铁锂上游资源丰富,近年来发展形势向好.磷酸铁锂电池主要材料包括正极材料、负极材料、电解液、隔膜、粘结剂、集流体、壳体、盖板等,材料的特性直接关系到磷酸铁锂电池的性能.S储能用正极材料应用及创新正极材料是锂电池的重要组成部分,在锂离子电池充放电过程中,伴随着锂离子在正极材料中的脱嵌.正极材料对锂离子电池的能量密度、功率密度、循环性能及安全可靠性影响较大。材料聚阳离子UMaM=NiCQMl)图栩顿分类常见的锂离子正极材料有三元层状氧化物,包括钻酸锂、磷酸铁锂、镒酸锂等;基于安全考虑和循环寿命需求,储能用电芯正极选用磷酸铁锂材料,该材料是目前最安全的锂离