储能大电芯从起步到现如今百花齐放,也不过短短三年。但是企业对储能电芯的技术储备,和业界对于储能寿命的钻研,远远不止几年。
随着储能行业向“价值驱动”转变,电芯技术要求已从单纯的低成本,扩展至高能量密度(优化空间)、长循环寿命(摊薄成本)及高可靠安全性(保障稳定)等多元维度。聚焦新赛点,587Ah大容量电芯能否满足储能“既要也要又要”需求?
能量密度如何创“新高”?
储能电芯“大容量”的博弈已走向台前,几家头部储能厂商已开始就“毫米级”尺寸、个位数的能量密度差异等硬指标展开深层次较量。
储能“大”电芯的研发初心,无非是为了推动储能降本。而当前锂价已经接近触底,能量密度才是影响储能成本的关键。
其一,体积能量密度(单位Wh/L),强调在更少的空间内储存更多电量,从应用端来说是让储能电站布局更加紧凑、降低了用地成本,这也是越来越多储能集成商就单箱6.25MWh的容量达成统一战线的背后原因。为满足当下储能电站200MW/400MWh的主流设计方案,以50MWh标准分区,而每个分区配置8个6.25MWh储能系统,则可以实现空间利用率最大化。
其二,重量能量密度(单位Wh/kg),重视的是每千克重量内含储电容量,其数值高低直接关联到则可能影响到储能系统的运输成本。在这一层面来说,同样容量的储能系统,重量不同则将产生不同的运输成本,在保证安全的前提下,单位重量下能量密度越高,则成本越低。
在这两大“边界条件”框架之下,宁德时代率先在第三代500+Ah储能电芯实现突破,在73×275×215毫米的尺寸内实现了高达434Wh/L的能量密度,较上一代产品提升了近10%。就当前587Ah阵营来说,这也是当前的天花板。
大容量与高安全,不能兼得?
锂电池储能技术自起步以来,一直绕不开安全这一门槛。尤其在大电芯发展趋势下,储能电芯安全隐患会因内部电阻、产热等问题而被放大。而为了保障电芯的安全,很多大电芯制造工艺从“卷绕”转向了“叠片”,但同时也提升了制造BOM成本和量产周期。
当下,部分企业之所以选用叠片制造工艺,无非是因为传统卷绕电芯可能存在内部不平整、空间利用率下降的问题,进而会降低电芯能量密度。
但不可忽视的是,随着储能逐步走向电力现货市场,其调用频率必将显著增加,而在频繁充放电、或在过充过放滥用条件下,电池内部会产生气体、继而膨胀导致电池失效。但叠片生产的电芯给“气体”预留空间更小,气体膨胀可能会更显著,失效风险也更高。而且由于叠片方式的物理切断位数量多,自放电现象会随之增多,电芯的故障率也就越高。
而自放电是储能电芯失效主因,其占比接近70%!自放电失效比例的高低不仅决定了储能电池的使用寿命,更直接影响储能系统的年均运行天数。对于1500V系统(单簇416S)来说,当自放电失效率从5ppm升至30ppm时,系统可靠度将下降19.6%,这将导致年均运行天数减少134天。
据悉,宁德时代已经通过迭代化学体系,在材料体系、工艺控制和系统解决方案等维度上实现了重大突破,系统性解决了上一代卷绕工艺的关键技术瓶颈。宁德时代通过安全电解液、不扩散阳极、耐热隔离膜的“三维防御体系”,不仅提升了电芯的本征安全,尤其也可以应对调频等市场化应用对储能更加频繁地调用,更提高了储能面临过充过放等“滥用”的安全阈值。
寿命非玄学,真实可证才有真价值
在储能项目投资回报率的约束下,行业普遍将成本控制重心放在设备采购环节,却忽视了一个核心矛盾:作为支撑新能源消纳与电力系统稳定运行的关键技术,储能系统的设计年限最长仅10年、普遍都仅有6-8年,与光伏风电长达25年的理论寿命形成巨大落差!
从储能全生命周期运营角度来看,除了设备成本本身之外,降低度电成本、提升储能每度电的收益才是关键,其核心则在于延长储能系统的实际使用寿命。只要储能系统的全生命周期足够长,成功跨越6-8年的投资回收期后,其后续运营将进入边际成本趋近于零的持续性高收益阶段。
然而,中电联公布的2024年储能电站运行报告显示,行业整体充放电平均转换效率88.75%,但投运3年以上储能电站下降明显、综合效率已低于80%。在大电芯发展趋势下,“长寿命”似乎成了遥不可及的“理论目标”。
不过,业内也有案例打破了衰减“魔咒”。我国第一个新能源配建储能项目——国家风光储输示范工程,自2011年12月25日投运至今已平稳度过了15年。这既是我国电力储能规模化示范应用的起点,也是宁德时代储能事业的开端。该项目中宁德时代的16MWh锂电池储能系统,直到现在剩余容量仍保持在80%以上。
储能寿命的衰减主要原因是由于电芯不断循环使用,锂离子的消耗会带来电芯膨胀,而膨胀应力集中点会产生局部析锂,进而导致电芯寿命衰减。宁德时代的解法是从材料体系上去应对以上痛点,其中采用低应变石墨、高强粘结剂以及低产气电解液等,构筑更坚挺的SEI层,从而有效控制了电芯产气水平、降低了电芯膨胀,同时也降低了储能电芯自放电。
结语
我国锂电池自1998年商业化量产至今近三十年,其中储能应用发展已逾十年。伴随市场经验积累,企业持续反哺技术研发,推动着储能行业逐步走向成熟。
从近三十年的锂电池储能发展历程来看,储能电芯的研发,其实就是要通过推导找到能量密度、寿命与安全的平衡点。而从市场应用端来说,行业不能再以低价论英雄,而需要经得起时间、安全与效益三重考验的储能产品。