格力钛何意：高安全钛酸锂技术在新型储能系统中的应用

　　11月9-10日，由中国化学与物理电源行业协会主办的首届中国新型储能产业高质量发展大会暨全国虚拟电厂及需求侧响应高层研讨会在山东济南喜来登召开。

　　格力钛新能源股份有限公司何意分享了《高安全钛酸锂技术在新型储能系统中的应用》。

　　格力钛新能源股份有限公司是一家集钛酸锂电池核心材料、电池、智能储能系统、新能源汽车研发、生产、销售以及动力电池回收梯次利用为一体的全球性综合新能源产业集团。旗下拥有广通汽车、奥钛储能两大品牌，总部位于珠海，拥有邯郸、石家庄、成都、天津、洛阳、南京等产业园。我司于2021年成为世界500强企业格力电器的控股公司。公司目前有两大体系锂电池的研发制造能力，其中钛酸锂材料年产10000吨，钛酸锂电池年产3GWh;磷酸铁锂目前有12条产线，年产磷酸铁锂电池15GWh。以下为我司的获得一些荣誉，在今年，我司获得了中国专利的金奖，并获评国家制造单项冠军产品。

　　第二章是介绍一下格力钛电池技术及产品。我们格力钛电池有四大核心特点：高安全、快充放、耐宽温和长寿命。

　　首先介绍一下安全性。本征安全第一点是钛酸锂对锂电位为1.55V，相比于石墨材料嵌锂电位0.1V，钛酸锂电池可保证足够的裕度，充放电过程中不会析出金属锂;本征安全第二点，相比于二维层状结构的石墨负极材料，钛酸锂材料为尖晶石结构，具有三维锂离子通道，充放电过程中材料结构几乎不发生变化，避免在大倍率电流放电产生锂枝晶;本征安全第三点，电池短路时，钛酸锂材料可由导电相变为高阻相，在一定程度上可抑制热失控。我司的钛酸锂电池在做切割，针刺，挤压，淋雨，枪击等测试都不会发生起火或者爆炸的现象。

　　钛酸锂电池第二大核心优势就是长寿命。这个也是基于钛酸锂材料的尖晶石三维结构结构。在锂离子脱嵌过程中，材料体积变化率很小，为“零应变”的材料，充放电过程中材料不会发生结构坍塌等不可逆变化。下图中我们可以看到目前我司在测的钛酸锂电池，2C/2C，100%DOD的测试条件下，已经测到了39000次，仍在持续的测试中。下表为我司2014年装车的一批电池，在2019年我们对这个电池进行了容量测试，测试数据可以看到装车运行了五年，容量基本上是没有衰减。

　　钛酸锂电池第三大核心特点就是它的一个快充放。快充放是由于钛酸锂材料的三维锂离子通道，Li+可以快速脱嵌，实现超快速充放电;此外格力钛的钛酸锂材料为纳米级材料，一次粒子40-60nm，远小于市面上其他的钛酸锂材料，小粒径缩短了锂离子传输距离，实现快速充放。

　　伴随着公司的不断发展，钛酸锂电池的能量密度也是在不断地攀升。从以前的方壳33Ah，圆柱电池30Ah，现在已经做到方形电池110Ah和155Ah，圆柱50Ah，钛酸锂电池的能量密度也得到了大幅的提升。目前我司已经量产了全球最大的单体钛酸锂电池，单电池容量155Ah，最大持续可充放电电流500A，PACK系统体积能量密度提升高达100%，目前这款电池在我们工程机械，公交车，大巴，以及我们的调频等领域已经投入使用。能量密度不断提升的同时，我们功率密度的也在提升。目前我司产品采用的是全集流体硬连接替代传统单极耳软连接，载流量17.5倍。

　　接下来介绍一个行业上大家也比较关心的钛酸锂电池胀气的问题。从下面的图中可以看到，胀气主要因为钛酸锂材料对水分是比较敏感的，这个水分物理的方法是很难清除的。随着现在锂电池行业制程工艺的发展，我司通过对原材料，工序，环境管控有一些特殊的工艺，这个胀气问题在很多年前就已经解决了，也是给行业上的各位一个说明。

　　以下为我司目前的电池系列产品，钛酸锂电池包括大圆柱的40Ah、45Ah和50Ah，还有小圆柱的6Ah、9Ah和12Ah，软包70Ah。磷酸铁锂电池主要包括动力系列的50Ah、60Ah和70Ah，备电系列102Ah，长循环储能用280Ah。

　　第三章介绍格力钛储能产品及应用案例。我们的产品从电池单体到Pack，到电池簇，再到集装箱系统，包括了风冷和液冷两种方案。目前我司的能量型储能系统单个集装箱，最大可以做到5MWh，功率型储能系统，单个集装箱最大可以做到4MW。在2021年7月份，我司高安全大倍率储能系统关键技术研发与应用，也是获得了“国际领先”鉴定。

　　介绍完我司的系列产品，接下来介绍我司产品在各种领域的应用。第一个是在发电侧新能源场站的一次调频。新能源的快速发展给电网业带来了一个极大的挑战，各地也陆续出台政策，要求新能源具备一次调频功能，与此同时，各种标准陆续地出台。新能源厂站的调频功率需求是分钟级、MW级，需求配置大功率的储能，即我们的虚拟同步发电技术(VSG)。现阶段存在的问题是，单一形式的储能是无法解决功率密度和能量密度的矛盾。行业上现在比较常见的做法，就是用这种混合型储能，比如说铅酸电池加超级电容器，或者磷酸电池加飞能的混合形式，这种混合储能也面临着一个问题，配置比例以及协调控制的难度较大;另外随着光伏子阵和风力发电机的单机的规模也不断增大的，对于这种高成本的功率型储能配比和能量型全生命周期的循环寿命，也是提出了一个更高的要求。这对混合型储能经济性和性价比也是一个非常大的考验。

　　下面两张图是我司采集的某风电厂七天内发电功率曲线和24小时内的调频功率需求。图中我们也可以明显看到，储能系统日均的充放电转换次数是10到50次，转换到年充放电次数是3000到15000次(浅充浅放)，因此，对储能系统全生命周期的循环寿命提出了一个更高的要求。

　　不同特性的储能限值将决定VSG的控制参数边界。这张表可以看到，在一次调频的领域，在钛酸锂的储能系统能够很好的兼顾能量密度和功率密度。

　　这个是我们的应用案例，跟中车这边合作的3.3MW风力配置360kW/89.42kWh(4P)钛酸锂储能系统，测试效果良好，下一步计划将储能系统装入风机塔筒，实现一机一储。

　　第二个案例是全球首个光伏、储能户外实证试验平台，配置了150kW/33kWh(4P)的钛酸锂储能系统，目前运行状况良好，该项目已经做到了第三期，三期规模将会进一步扩大。

　　第二个应用领域是电网侧的应用：AGC调频，通过储能参与AGC调频，大幅提升机组调频性能，提高调频收益。下图我们可以看到某个电厂2h内的调频指令，在一个调度周期内，最大爬坡功率2853 kW，累计转换电量仅73 kWh，这就是属于典型的功率型的应用，这种场景下，我们应该重点考虑的功率成本。下图为我司某电厂调频储能系统传回的运行数据，图中可以发现调频储能系统电池SOC运行区间只占整个电池系统电量的25%-40%，即对电量需求并不高，一般储能时长配置为15~30min。钛酸锂电池在1C、4C至6C倍率范围内，不需通过超配电量来满足调频倍率的需求，兼顾大倍率充放电的同时仍能满足较长的充放电循环寿命。右下角的检测报告我们也可以看到，钛酸锂电池4C循环测试，16000次后容量保持率在83%以上。

　　在AGC调频领域，我们经常需要考虑的是里程成本。在这里我们对磷酸铁锂和钛酸锂两种储能系统做了一个对比。一个1MWh的电池系统，磷酸铁锂最大可以做到2MW，而钛酸锂储能系统可以做到4MW，每年调频里程，钛酸锂是磷酸铁锂的两倍，循环寿命，钛酸锂是磷酸铁锂的3倍，即使钛酸锂的成本是磷酸铁锂的2-3倍，但是综合算下来，高功率钛酸锂里程成本仍低于磷酸铁锂，不超过铁锂的1/2，优势较为明显。

　　下图为不同类型的储能系统里程成本的对比(对比数据来源：《电工电能新技术》)，我们也可以看到，钛酸锂储能是有一个非常明显的优势。

　　以下为我司在发电厂配套的调频储能系统的几个典型的应用，一个是我们的珠海横琴的热电厂，钛酸锂储能系统规模为8MW/3.2MWh;另外一个是在内蒙古的乌拉特，配置了10MW/4MWh的钛酸锂储能系统，这两个相对目前运行的非常好，收益也是很好。

　　第三个应用是在用电侧，对于功率型的配电扩容。随着新能源产业的不断发展，我们新能源汽车也是越来越普及。新能源汽车的增多，必然会对我们充电提出了一个更高的要求。对配电也是提出了巨大的挑战。传统的方案都是通过变压器的扩容来解决这个问题，但是很多地方的配电扩容难度是非常大的，而且配电的改造的成本也是相当高。我们通过配套功率型的储能系统，能够很好的解决这个问题。

　　以下为我司在首都机场做的项目，大家坐飞机的时候可以看到1号门，2号门，T3D和T3E这几个站点都配了我司的光储充系统，很好的解决了首都机场车的充电问题，目前运行状态良好，可以满足全天176台次的充电需求。

　　除上述应用场景及案例外，利用钛酸锂电池的安全性和倍率性，我司钛酸锂产品管道阀室和国防设备等场景得到很好应用。

　　格力钛储能产品已经在全球30多个国家和地区投入运行，早在2014年，我司的钛酸锂调频储能产品就已经在美国以及北欧的一些国家投入使用，近些年，随着国内储能市场的发展，公司也在国内大力布局储能项目，以下为我司成功投运的部分典型项目案例。这里由于时间关系就不一一介绍了。