能源储存设备

302019年XNUMX月

无论是与股市,总统选举还是气候有关,2020月都是可以预测来年和未来十年的月份。 那么,对于即将到来的2030-XNUMX十年,我们应该期待什么电池趋势?

1.锂离子电池将为更多应用提供动力—一切都带电: 2019年诺贝尔化学奖重点介绍了锂离子电池在过去四十年中取得的进步。 从1970年代的实验室实验来看,它们现在在消费类设备中无处不在。 他们越来越多地涉足运输和电网存储应用。

毫无疑问,2020年是从电动汽车到公共汽车和卡车的运输电气化的十年。 电动汽车(EV)的数量从2015年的约75种跃升至2020年的1种以上,其中包括跑车,轿车,SUV和轻型卡车。 汽车公司及其供应链正在无休止地转型。 这将不是一个容易的转变—将有赢家和输家。 在未来几年内将不适应的汽车制造商和一级供应商可能会变得无关紧要。 运输技术工人的性质也在发生变化。 工会正在引起注意,但新的劳动力需要大量培训。

电力部门将在其电网上实施更多的储能项目,这在一定程度上是受到法规以及清洁能源电网的普及以及分布式风能和太阳能发电的推动。

历史上较小的单位体积的工业应用将受益于锂离子电池扩散的增加​​。 随着社区寻求更清洁的空气,我们将看到当地法规禁止使用任何以化石燃料为动力的东西,从铲车到割草机。

2.电池将提供更好的性能,但具有最佳的折衷方案:

比尔·盖茨在1981年的名言“640KB对每个人来说应该足够[内存]完全提醒我们,一件好事还不够。 就像计算机以更多的计算能力和内存蓬勃发展一样,移动性将随着可用电池容量的增加而蓬勃发展。 下一代5G无线智能手机需要更多的电池容量。 电动汽车驾驶员需要更长的行驶里程(超过300英里)。 更大的电池容量意味着不断地寻求具有更高能量密度的新型材料。

公众将变得更加敏锐,并期待更好的电池保修。 更长的循环寿命(寿命),而快速充电将成为性能的标准,尤其是在运输中。

但是要花多少钱呢? 制造商将学习优化电池的容量,尺寸,循环寿命和针对目标应用或用户案例的充电时间。 车队中的电动汽车将具有与住宅通勤者不同的电池设计。 与太阳能一起使用的备用电池将更加不同。 电动汽车的购买者将学习如何根据电池做出明智的选择。 就像购买者从历史上学会了了解4缸和8缸发动机的区别一样,他们将更加了解kWh额定值之间的区别。

3.电池价格将继续下降,但增速将放缓:

锂离子电池的成本在过去十年中从每千瓦时1,100多美元下降到150年的每千瓦时2019美元。预测者预计,这一数字将在100年降至2023美元以下。在这样的水平下,电动汽车的成本将与使用内部电池的传统汽车达到同等水平内燃机(ICE)-没有政府购买者激励措施。 在规模,数量增加以及在中国占据主导地位的电池制造的推动下,标准电池日益日趋商品化。 供应链在解决电池商品化方面正变得越来越专业。 为了提高电动汽车模型的盈利能力,汽车制造商将越来越多地将传统的成本准则应用于其电池供应链,将提高的生产效率应用于对冲。 一些需要更高性能的特定应用将受益于先进材料的新发展,例如,尽管以更高的成本提供了更高的能量密度,但渗透率有限。

与中国贸易紧张的风险将继续笼罩整个电池供应链。 即使锂离子电池制造工厂在亚洲和欧洲其他地区上线,从原材料采购到最终组装,中国仍将继续主导锂离子电池供应链。 美国联邦政府和州政府将需要制定明确的政策,以解决向以电池为中心的运输系统的快速过渡,否则将面临与中国在电池技术和制造方面的贸易紧张局势升级的风险。

4.电池在现场将变得更加安全:

智能手机通常在亚洲许多地区引起轰动,这甚至不是头条新闻。 那将会改变。 那必须改变。 电池安全性的预期标准必须大幅度提高,尤其是随着可获得更大的电池容量(在电动汽车或电网中)尤其如此。 生产现场的有效检查方法和现场智能电池管理系统可以将电池安全性提高几个数量级。

然而,令人遗憾的是,不可避免的是,在整个行业投入巨资改善电池安全之前,甚至在某些政府的干预下,电池大火将成为未来的头条新闻。

5.政府将介入以规范锂离子电池的回收利用:

业界将认识到,回收锂离子电池对其未来的增长至关重要。 如果没有采取经济的回收方法,锂离子电池对环境的影响将是毁灭性的,从开采原材料到废弃电池的处置。 例如,铅酸电池是第一个。 美国1个回收的消费品,其回收率超过99%。 不幸的是,历史表明,政府将需要介入并规范锂离子电池的某些回收目标。

312017年XNUMX月

我们这个星球上的所有人每年都会购买1.6十亿部智能手机。 每年,这个星球上每四个活着的人就可以使用一部新的智能手机。 累积起来,我们在全球拥有并使用4亿智能手机。 世界上每个地区,无论贫富,都在购买智能手机。 中东,非洲和亚洲的许多发展中国家正在快速增长其智能手机订阅量。 爱立信报告称,2021将会有超过十亿的智能手机订阅,几乎每个男人,女人和孩子都在世界各地。 令人印象深刻!

当然,这些智能手机中的每一个都有一个电池。 你的第一反应是:“这是很多电池。”是的,这是真的。 可悲的是,许多这些电池在耗尽后会进入垃圾填埋场。 衡量电池市场规模的最简单方法是计算所有电池供应的全部能量。 当然,这是一个很大的数字。 它以数十亿瓦特小时计算,缩写为 亿千瓦时。 作为参考标记,特斯拉S线顶部的电池为100 kWh。 一个GWh = 1百万千瓦时= 10,000特斯拉S.

在2017 03-31-AM 9.48.15屏幕快照

在2016,全球的电池工厂为消费类设备制造了价值50 GWh的电池。 这推动了一个行业和每年价值超过10十亿美元的市场。 预测表明,消费者市场将在65中使用大约70至2020 GWh的电池。 我们对更多电池的兴趣是无法满足的,数字显示它。

现在让我们来看看电动汽车中的电池,包括混合动力插电式汽车和纯电动汽车(xEV)。 这是一个相对较新的市场。 特斯拉S首次进入2012。 日产Leaf在2011中提前了一点。 美国或世界各国的许多州尚未经历或试验过此类车辆。 在2016中,所有这些车辆仅占所有汽车销量的0.9%。 总的来说,它们在1中的数量不到2016米。

亿千瓦时

然而,在电池术语中,这些汽车占GWh的数量越来越多。 2016年是xEV中使用的电池容量与所有消费类设备相比的第一年,约为50 GWh。 通过2020,xEV将占全球所有电池产量的1/3。 难怪Elon Musk和主要的汽车制造商非常关注他们的供应链,包括建造这些Gigafactories。

232016年XNUMX月

特斯拉汽车公司(Tesla Motors)今天宣布,其Model S和X的升级版拥有100 kWh电池组,高于其早期最先进的电动汽车中使用的90 kWh。 一百千瓦小时听起来确实很多,但确实如此,但我敢打赌,许多读者对这种电量并没有直觉。 这是这篇文章的目的。

首先,千瓦时是能源而不是电力的单位,最常用于电力。 确切地说,加利福尼亚的普通房屋每天消耗大约20 kWh的电能,因此,这种100-kWh充满电的Tesla电池可以满足该房屋大约5天的需求。 如果您希望脱离电网,那就太好了。

日产聆风的电池容量为30 kWh,行驶距离约为107英里(172公里)。 如果将Nissan Leaf的电池升级到100 kWh,则其续航里程将增加到350英里,或与您从普通汽油发动机汽车获得的里程差不多。 那真是太好了!

100kWh也等于341,000 Btu,即您要使用英制单位制。 该电池大约需要10,000 Btu才能运行家用大小的空调装置,它将为您提供34小时的不间断冷空气。 它也等于3.4 US Therms(每个Therm等于100立方英尺的天然气),足以在冬天为加利福尼亚的一个房​​屋供暖约4天。

现在,让我们在此比较练习中更具创意。 如果设计和操作不正确和安全,那么大量的能量可能会引起爆炸。 100 kWh与以86千克(190磅)的TNT传递的能量相同……足以使整座建筑物平整。

更令人高兴的是,这种电池可存储相当于86,000千卡的能量,也就是普通人在43天内食物所消耗的能量!

然而,听起来像这个数字一样大,而且很大,只有3加仑汽油(11升)包含相同量的能量。 特斯拉电池重约1300磅(590千克),而3加仑汽油仅重18磅(8千克)。 这说明了能量密度的概念:锂离子电池的密度比汽油低74X。

192016年XNUMX月

在过去的几周中,我一直在思考,这个100可能是一个合适的话题th 帖子,麻省理工学院的一个小组 公布 他们发现了如何用两倍的能量制造电池。 当然,新闻稿中的执行词是“第一原型”,这意味着可能要花很长时间了,也就是说,如果我们看到商业部署的话。 但是,此公告是将这篇文章重点放在锂离子电池状态上的催化剂:换句话说,如果我们忽略了未来的发明,那么我们今天在许多应用中可以期望的锂离子电池最好的是什么? 。

对于绝大多数现代应用来说,锂离子电池都能够提供必要的性能。 因此,如果您想知道为什么大多数用户抱怨电池,我将使用一个拼图游戏的类比。 储存电能的解决方案涉及许多部分,例如拼图游戏的部分。 这些部件包括电池材料,化学成分和设计,通常由一方提供:电池制造商。 但关键的一点还包括设备和系统的电源管理,尤其是监视智能手机上的应用程序如何有效利用能源所需的电子设备和软件。 同样重要的是电池管理智能,这是我们在Qnovo所做的,它负责电池的完整性和高效运行。 如果用水代表能源消耗,那么电池就是水库。 电源管理类似于节水,这是我们加利福尼亚人熟悉的事情; 电池管理确保了储液罐及其内容物的完整性,使其大而无毒。

如今,拼图玩具的每个拼图都处于单独的状态,在消费类电子产品,能量存储和电动汽车方面处于非同一般的状态。 例如,商业部署中电池的能量密度已经接近或达到700 Wh / l。 这种能量密度足以为整天使用的智能手机提供舒适的动力,或者为300英里的电动汽车供电。 电源管理已经变得相当复杂,尤其是在消费类电子产品中,如今,诸如Android OS和iOS等操作系统正在就应用程序如何使用电源做出明智的决策。 电池管理智能也变得非常复杂,可以实时深入查看电池并确保其在极端操作条件下的持续健康和完整性。

但是现在想象一下,尝试构建一个拼图游戏,其中有多个玩家共同将拼图放在一起,或者更糟糕的是,每个玩家都拥有一部分拼图,但不是所有拼图。 现在您可以想象将难题拼凑起来会变得相当复杂。 您会看到,电池供应商知道如何制造电池本身,但是在电源管理和电池管理智能方面往往是新手。 系统集成商和OEM往往在电源管理方面拥有丰富的经验,但是他们对电池化学的了解往往受到限制。 关于电池管理,电池供应商和原始设备制造商在历史上都低估了其需求,并且正在追赶。

例如,这开始解释了特斯拉汽车为什么要拥有这三个难题的原因,首先是他们讨论广泛的Gigafactory,而且是他们在电源管理和电池管理方面的宣传较少。 苹果也处于同一联盟。 尽管Apple不生产自己的电池,但众所周知,Apple确实设计自己的电池,并且在电源和电池管理方面的专业知识不断增长。 但是这些往往是早期采用者,他们已经意识到他们需要带头将难题的各个部分放在一起。 还有其他一些巨头需要追赶,其中包括Google,Microsoft,Facebook等……以及正在关注电池以用于固定储能和电动汽车的工业企业。 逐渐地,他们都开始将电源和电池管理纳入其长期战略中。

从历史上看,系统集成商和OEM将电池视为他们从供应商那里购买的又一个组件,例如显示器或其他电气或机械组件。 但是,这种将电池专业知识外包的模式开始受到挑战。 首先,电池供应商正在达到材料极限,并且在不使用智能电源和电池管理算法的情况下努力满足其客户不断增长的需求。 其次,一方面是OEM和系统集成商之间,另一方面是电池供应商之间,这种不舒服感日趋严重。 第三,随着廉价电池的出现,意味着廉价电池和低品质电池的出现,中国形成了传统电池销售商,特别是索尼能源,三星SDI,LG Chem的商业模式。 快速评估其财务状况足以表明他们不健康。 索尼最近宣布将其电池业务出售给村田制作所。 这些变化的动力使解决这一电池难题所需的必要任务复杂化,并迫使参与公司寻求不同的联盟。 例如,可以看到特斯拉和松下之间以及通用汽车和LG化学之间不断发展的联盟。 在中国,见证了比亚迪在制造电池和制造电动汽车方面日益增长的影响力。 结果是,只有少数几个具有垂直集成方式或必须组成必要联盟的组织才能访问结合了正确电池,正确电源管理智能和正确电池管理智能的最佳电池系统。

如读者所知,提供出色的电池使用体验所面临的挑战实际上并​​不是技术上的,而是经济和组织上的起源。 对于消费类应用而言,该技术已经可以用来制造优雅的智能手机,其电池容量超过3,000 mAh,可以在1到1.5C之间快速充电,并且可以持续800到1,000个周期。 这些规格为普通消费者提供了出色的整体电池体验。 对于能量存储,挑战不是电池化学性质,而是达到正确的价格点,并通过广泛的测试使规格更加舒适。 对于电动汽车,电池的成本正在迅速下降。 雪佛兰Bolt和承诺的特斯拉Model 3是以越来越可承受的价格瞄准更广泛人群的车辆的典型例子。 这并不是说工程创新和持续的有纪律的产品改进是不必要的; 他们很重要。 但是,关于电池行业迫切需要技术和材料上的重大突破的看法并没有充分根据。 取而代之的是,电池拼图游戏中的所有参与者都更加需要学习协作,并充分利用彼此的专业知识和技术。 这正在发生; 在此过程中,我们将继续看到各种参与者争夺知识产权,专利权,专业知识和技能的竞赛。

172016年XNUMX月

我将在本文中继续讨论各种锂离子化学的优点及其对能量存储系统(ESS)应用的适用性。 自然地,这假定锂离子电池通常是最适合ESS的技术之一。 在这一点上,有些人可能会提出质疑-这种讨论有一些优点,我将留任以后的职位。

阴极材料的选择决定了锂离子电池的几个关键电气属性,这是由阳极和阴极这两个电极组成的 能量密度,安全,长寿(循环寿命) 和成本。 最常用的阴极材料是钴酸锂(称为LCO),镍钴铝(NCA),锂镍锰(NCM),磷酸铁锂(LFP)和锂锰镍氧化物(LMNO)。

能量密度

LCO 迄今为止,从智能手机到PC的消费类设备是最普遍的选择。 它在亚洲电池工厂中广泛生产,供应链非常普遍……因此,尽管使用了钴(一种昂贵的材料),但它的单位能量成本却最低,消费电池的价格接近$ 0.50 /啊,或等效地,$ 130 / kWh。 LCO具有非常好的能量密度,并且循环寿命通常在500和1,500循环之间。 从材料的角度来看,LCO可能会着火或爆炸,尤其是在电池设计或操作不当的情况下。 这是10年前频繁召回电池的主要原因。 正确的电池设计和安全电子电路大大改善了这种状况,并使LCO电池更加安全。

NCA 特斯拉(Tesla)在模型S(以及更早的敞篷跑车)中使用了Panasonic 18650电池,从而引起了人们的关注。 它具有出色的能量密度-每次充电可直接转化为更长的行驶里程。 但是NCA的循环寿命有限,通常少于500个循环。 从历史上看,NCA由于使用钴和制造量有限而十分昂贵。 随着特斯拉销量的增长以及GNUMfactory在2017中上线,这种情况正在迅速改变。 有传言说,特斯拉的成本等于或接近LCO的数字,即在电池单元水平上接近100 / kWh。 松下是否会在普通市场上复制这些成本还有待观察。

NCM 位于LCO和NCA之间。 它具有良好的能量密度,比NCA(在1,000至2,000循环范围内)更长的循环寿命,并且与LCO相比,它固有地更不容易受到安全危害。 它的历史用途是在电动工具中,但是最近它已成为汽车应用的重要候选材料。 原则上,由于NCM阴极使用锰(一种相当便宜的材料),因此制造成本应较低。 韩国的两家大企业LG Chem和Samsung SDI是NCM电池的主要倡导者和制造商。

最古老的阴极材料之一是 LMNO,有时也称为LMO。 的 日产Leaf 电池使用LMNO阴极。 它安全,可靠,循环寿命长,并且制造成本相对较低。 但是它的能量密度低,尤其是相对于NCA。 如果您想知道为什么特斯拉的续驶里程比Leaf更好,那么选择正极材料将是您答案的重要组成部分。 它在日本以外并未广泛使用。

最后,我们来谈谈磷酸铁锂,或者 LFP的。 它最初是在1990上于北美发明的,如今已在中国建立了强大的制造基地,而中国政府则将其重要的经济基础扩展到了中国。 奖励 使中国成为LFP电池的制造大国。 LFP具有出色的循环寿命,通常超过3,000个循环,因此被认为非常安全。 LFP的主要缺点是能量密度降低:约为LCO,NCA或NCM的三分之一。 原则上,它的制造应该便宜。 毕竟,铁和磷是两种便宜的材料。 但是现实却相反:更低的能量密度需要使用两倍或三倍的电池来构建具有与LCO或NCA相同容量的电池组。 结果,基于LFP的电池今天的价格比同等基于LCO的电池组高出2或3x。

到现在为止,您可能正在挠头问:那一个赢了? 而这恰恰是能源存储以及在某种程度上是电动汽车的难题。 让我们深入研究。

能量存储应用对电池有一些关键要求:1)电池应连续10年,每天进行充电和放电,换句话说,其循环寿命规格为3,500个循环或更多。 2)必须具有很高的成本效益,以其前期资本成本和拥有成本衡量; 换句话说,在10年的使用期限内拥有和运营该产品的总成本; 和3)必须安全。

第一个和第三个要求很简单:它们成为LFP和NCM的最爱。 LFP本质上具有较长的循环寿命,而NCM如果仅充电至其最大容量的80%,也可以提供非常长的循环寿命。 所以,如果您想知道为什么特斯拉安静地 下降 其10-kWh PowerWall产品的原因在于,它是用NCA阴极制成的,无法满足日常充电的超长循环寿命要求。

第二个要求变得棘手。 目前,LFP和NCM都不便宜,无法为储能系统(ESS)的运营商提供令人信服的经济案例-抛开政府的激励措施。 因此,问题归结为,随着时间的推移,其中哪一个将具有更陡峭的成本降低曲线。 这样的问题自然会导致两个追随者阵营,每个阵营都在争论各自的情况。

请注意,高能量密度不会(至少不是直接地)将这些要求考虑在内。 与消费类设备或电动汽车不同,ESS几乎没有体积或重量限制,因此,原则上可以容纳能量密度较低的电池。 然而,问题在于具有较低能量密度的电池不一定对应于较低的每单位能量成本。 实际上,使用LFP制造3Ah电池的成本要高于使用NCA的成本。 这使得能量密度成为数学中的关键因素。 较低的能量密度等于需要更多的电池才能组装更大的电池 收拾,因此费用更高。 目前,在LFP和NCM的战斗中,陪审团仍未解决,尽管我个人认为NCM凭借较高的能量密度具有优势。 另一方面,中国对LFP的大力支持可能会扩大规模。 以后再说。

休会前,我想斥责一些ESS建设者的常说:“电池不可知论”。对他们来说,电池是一种商品,可以轻松地在供应商和供应商之间互换,就像中国的商品组件一样。消费类电子产品。 我希望读者能从这篇文章中了解到在ESS中选择合适的电池所涉及的大量微妙和复杂性。 在这个领域中,与电池无关的概念完全放错了位置,仅表明构建这些ESS的工程师的文盲。 如果787 Dreamliner上的电池着火了,可以使我们永久性地想到一课,那就应该永远不要低估忽视电池复杂性的后果。 它们可能非常严重,而且成本很高。 电池不可知的是电池电量不足的。

  • 1
  • 2