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MIT李巨教授AEM觀點：電網(wǎng)規(guī)模鋰離子電池儲能的主要挑戰(zhàn)

由于全球氣候變化，不可逆轉的損害會在未來十年內迅速發(fā)生，因此能源基礎設施的快速轉型至關重要。普遍認為，一種實用的脫碳策略是將8小時的鋰離子電池（LIB）電能存儲與風能/太陽能發(fā)電相結合，并使用現(xiàn)有的化石燃料設施作為備用。要達到百太瓦時級別的LIB儲能，關鍵挑戰(zhàn)在于安全和回收。

圖1. 使用8小時LIB存儲的可持續(xù)能源生產(chǎn)示意圖

在此，美國麻省理工學院李巨教授等人給出了關于電網(wǎng)規(guī)模LIB儲能主要挑戰(zhàn)的前瞻性觀點，并簡要概述了電池安全和回收兩個方向的持續(xù)創(chuàng)新。首先，作者概述了低碳能源轉型的過程中替代傳統(tǒng)化石能源的最佳解決方案，即≈8小時的LIB存儲穩(wěn)定的風能/太陽能+帶有熱存儲的核能，而傳統(tǒng)的化石燃料系統(tǒng)作為備用電源。

“8小時的能量”是一個口語術語，用于顯示與一次能源使用對比的規(guī)模，但如果僅通過電能使用進行標準化，則更像是60小時或2.5天的電能存儲。循環(huán)壽命、采礦/制造或資本成本本身不會成為LIB儲能系統(tǒng)在未來十年應對氣候挑戰(zhàn)的阻礙因素，而消防安全和回收問題很可能是主要挑戰(zhàn)。幸運的是，最近這兩個方面引起了越來越多的關注，并取得了重大的創(chuàng)新和進步。

圖2. 不同級別的LIB存儲和考慮消防安全的關鍵組件示意圖

首先，在技術上對安全方面的發(fā)熱和熱失控起源有了更深入的了解，在材料和工程層面上開發(fā)了更好的設計，包括可靠的高壓正極、具有穩(wěn)定SEI的負極、耐燃性液態(tài)電解質、循環(huán)性能好的固態(tài)電解質及更好的外在安全裝置和電池管理系統(tǒng)?；厥绽梅矫?，正在尋求更經(jīng)濟和環(huán)保的冶金工藝（深度回收）及創(chuàng)新的直接回收（淺層回收）方法。二者的優(yōu)化組合可進一步提升回收的經(jīng)濟和環(huán)境績效，形成可再生能源產(chǎn)業(yè)中鈷、鎳、鋰等有價值元素的閉環(huán)，從而大大減輕資源和采礦負擔。

此外，法規(guī)和管理必須與技術進步同步完善。需要制定最新的現(xiàn)場特定安裝/安全指南和應急響應措施，認真對待報廢火災風險并制定、執(zhí)行廢棄物管理政策。通過技術和管理方面的改進，未來將有望實現(xiàn)可靠的<90美元/kWh電池組，可穩(wěn)定循環(huán)高達20000次甚至更多，從而實現(xiàn)安全可持續(xù)的電網(wǎng)規(guī)模存儲。

圖3. LIB閉環(huán)回收示意圖及產(chǎn)生利潤

Key Challenges for Grid-Scale Lithium-Ion Battery Energy Storage, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202202197

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