特斯拉能量墙与锂电池技术：能互相支撑吗？
时间:2016-03-08 09:20来源:财经杂志 作者:西顾
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想象一下，某个夜晚，城市用电高峰，拉闸限电，而你打开挂在墙上的“大电池”，室内一片光明，甚至可以开着电动汽车出去兜个风。更酷的是这些电是免费的，因为你家的太阳能发电组或者风力发电组，白天用电冗余部分充进了大电池，晚上使用，完全独立于公共电网。
这是美国特斯拉公司（Tesla）设计Powerwall要达成的愿景。
Powerwall不是发电装置，更像是一块大电池。由于可以挂在墙壁上，在中国，它被称为“能源墙”。
如果Powerwall这块“电池”能接入到电网，好处是计算阶梯电价时，Powerwall可以在电费较低时段，预先存储一部分电能，而在电费较高时段使用，从而节省电费支出。如果你家屋顶上有太阳能，那就完全免费了，Powerwall负责从发电到用电中间的存储，甚至可以使普通家庭用户离开公共电网独立运行。
按特斯拉的CEO埃隆·马斯克的计划，新一代Powerwall储能电池将在七八月问世。这距离第一代Powerwall“降生”不到一年，他急于让Powerwall进入全球大部分家庭，成为家庭的“大电池”。
仅仅有不到30年产业化历史的锂电池技术，能否支撑起Powerwall未来的使命？特斯拉的解决方案，可否用于储能装置与大型新能源发电站的结合？这种由小电池组装成的储能系统，如何与公共电网跳好“二人转”？
一切都还是未知，记者采访发现，在能源界也有不同的声音。
老技术换新装
目前的电池技术，单个电池做到存储量达到兆瓦级别，仍是不可实现的，特斯拉将大量小电池集成形成一块大电池的解决方案，在大数量级电量存储方面给出了一个新思路。
Powerwall的创新在于利用一套电池管理系统，把近7000块18650锂电池反复分组，每一层都有管理，靠软件技术保证电池充放电的一致性，避免危险发生。
18650电池是锂离子电池的鼻祖，是日本索尼公司为了节省成本而制定的一种锂离子电池型号。
中科院物理所研究员、中关村储能产业技术联盟专家委员会主任委员黄学杰接受记者采访时表示，Powerwall使用的锂电池技术本身很成熟，它做的是把小电池组装成储存单元，“特斯拉主要是提出商业模式”。
以前就曾有类似Powerwall的家用储能产品，不过，大多数出现在日本市场。比如，2011年4月，索尼发布的采用橄榄石磷酸铁锂充电电池的1.2kWh储能模块；2011年7月，东芝推出的由锰酸锂电池+钛酸锂电池组成的1.6kWh产品；2012年3月，NEC发布的由锰酸锂聚合物电池组成的6kWh储能产品等。
在中国科学院电工研究所储能技术研究组组长陈永看来，从电池技术的本质来看，Powerwall并没有根本性突破。不过，它的电池管理、温度控制，以及电池跟外部电网的互动，值得借鉴。比如，为了防止电池温度过高和差异过大，Powerwall配备了一套冷却系统，用冷却液平衡电池之间不同的温度，防止温差造成危险。
陈永也提醒，Powerwall将成千上万个小电池堆积，未必是未来储能的正确思路。
以小体积实现大电量的储备，是目前整个储能行业、电池技术共同的瓶颈。
未来储能，电池需要放大，但应以什么思路放大？
“直接放大是不行的，拿现有做小电池的思路来做大电池，我认为是不通的。”陈永接受记者采访时直言，小电池本来有一定的安全隐患，从概率上来看，简单地大数量堆积会增加隐患和成本。
什么在阻碍电池无限量扩容
电池的续航能力一直是技术难点，特斯拉让全球消费者看到了增加电池存储量的可能，但现有的电池技术还有多大的增量空间？
目前，电子用品市场上应用最广泛的是锂离子电池，特斯拉产品也用这种电池。锂离子电池属于二次电池，可以重复使用。
1991年，索尼公司推出第一块商品化锂离子电池，并带来电池工业的一次革命。锂离子电池首先进入手机、数码相机等消费类电子产品市场，没用几年时间就一统天下，将镍镉电池、镍氢电池等逐出市场。
其实，二次电池领域也是一个大家族，有铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池、钠硫电池、液流电池等。全球电池市场中，铅酸电池的市场份额，在所有二次电池中仍占据绝对主导地位，不过锂电池增势迅猛。
2018年，锂电池全球市场规模将比2013年增加31.7%，占整体电池市场的比重，达到三成左右。
能量密度、价格、安全、寿命、体积等是衡量电池的常用指标。黄学杰分析，电池在不同的使用环境中，侧重的指标不一样，“不同的设备中，对电池指标的注重可以协调，尤其是相互制约与矛盾的指标”。
手机电池需要在最小的尺寸里装尽量多的能量，安全系数会低一些，消费者可以忍受高一些的价格，寿命也可以短一些，一般3年就够；汽车用电池需要10年以上的寿命，安全系数要求更高，同时价格不能太高；在大的储能领域，需要电池寿命达到20年以上，体积指标可以放松一些。
在上述指标中，显示设备续航能力的电池能量密度，常常与安全性是相互矛盾的，即能量密度越高，危险性也就越大。
锂电池的关键技术主要集中在正负极材料、电解质和隔膜上，材料的性能和制备工艺很大程度上决定了电池的性能。
电池技术的突破依赖基础材料性能的提升，遗憾的是，材料鲜有重大突破。石墨烯材料被广为看好，不过，至今没有真正的产品可用。
在隔膜方面，美国与日本拥有先进隔膜生产的技术专利，但这些研发成果都针对小电池，尤其是在数码产品、智能手机领域，对于未来的大型电动车电池、电网储能电池，目前隔膜的研究思路是否适合，陈永认为仍是一个大问号。
除电池的材料之外，电池的结构常常被忽视。
陈永将电池结构的设计比作是炒菜，不同的厨师用同样的原材料炒出来的菜，味道可能是不一样的。“同样的材料，采用不一样的电池结构技术，性能就会有相当大区别。”陈永对记者说。
安全性考虑、材料技术、电池结构技术，并不是阻碍电池无限量扩容、设备无限增大续航的全部因素，终端产品的设计也在掣肘电池扩容。要知道，智能手机中的很多功能没有那么紧要，但在后台运行时却很耗电。
即便是特斯拉，也无法回避当前电池技术面临的上述局限。此外当然也受成本拖累。
Powerwall目前有容量为10千瓦时与7千瓦时两个版本，售价分别为3500美元和3000美元，相当于2.17万元和1.86万元左右人民币。高昂的价格，会成为阻拦其进入寻常百姓家的门槛。
7千瓦时，基本能满足一个中国家庭一天的常规用电量，但Powerwall想在中国遍地开发，还需要研究中国的国情。陈永表示，美国和中国的国情是不一样的，美国别墅数量众多，都是独家独户的，分布式光伏发电设备应用广泛，Powerwall会受到青睐，中国则情况不同。
特斯拉进军家庭储能设备，并在中国官网上线Powerwall，对此，常州天合光能有限公司新闻发言人叶超分析认为，“更多是看准了未来中国市场需求的潜力，意欲提前布局”。
就像光伏发电一样，随着技术与市场的成熟，从开始兴起时每瓦几十元，现在降到几元，未来还会降到几角，行业内预计，家庭储电设备也会走一样的路。
黄学杰分析，在储能技术中当电池的成本达到1元每瓦时，就具有商业价值，而现在的成本是理想成本的两倍以上。
消费者与政府决策者，还应该换一个思路看待电池的成本问题。
二次电池本身可以循环使用，比如电动车报废以后，其电池仍有60%以上的储电能力，还可以继续用于家庭储电。此外，电池与新能源结合后，带来的经济成本与传统发电方式相比，有更大的经济价值。“不能总是给外界传达这个期望：电池成本、储能成本可以不停地降下来，也要考虑传统能源的环境成本。”陈永说。
更宏大的能源管理目标
以小体积储备大电量，不仅是电池行业本身难以实现的突破，也是储能行业的瓶颈。
就在世界主要国家纷纷将发展太阳能、风能等可再生能源上升为国家战略时，解决太阳能发电、风电的间歇性——高峰和低谷之间的变化，成为迫切的需求。
这需要储能来“削峰填谷”，使能源输出不间断。黄学杰分析，“电池储能是未来趋势，不仅是在大型风电站与太阳能光伏发电中，还能用于对整个电网的调频。”
为用户节省成本，也不是Powerwall最主要的目的，埃隆·马斯克为Powerwall所设定的，是更宏大的能源管理目标。
比如，由于消费者的生活形态有着固定的节奏，也会形成用电的峰谷。而电力公司必须以高峰用电量来规划发电系统的规划，造成在非高峰时间往往产生了多余的电能无人使用，这些电能就被浪费掉了。
“十二五”期间，中国建立风光储输示范工程，初衷就是想把风、光、储这几种方式联合起来，以电池储能作为载体，实现风、光、储多时间尺度的出力互补，使这些新能源发电达到或者接近常规电源，并探索出最为优化的联合配比比例。
国家电网中国电力科学研究院电工与新材料研究所所长来小康在评价这一示范项目时曾表示，“磷酸铁锂电池的运行效果非常好，效率能达到80%以上，此前大家担心它的安全性，但事实证明，自储能电站运行以来，磷酸铁锂电池没有出现过任何安全事故。”
不过，受制于电池使用成本，对电网调频有很大经济价值的储能技术，还不能全面推广，仍依靠政府补贴进行项目示范。
况且，国内多数示范项目还停留在对储能技术做验证的阶段，虽然目前安全性得以实现，但避免安全事故发生并不是示范的唯一目标，最终还是要市场化应用。陈永表示，储能示范项目也是为了让一些不太成熟的技术，通过示范达到商业化、市场化的过渡，起到桥梁作用。
“十三五”规划提出针对长期制约新能源发展的储能瓶颈，将“加强储能和智能电网建设，发展分布式能源，推行节能低碳电力调度”。
陈永建议，在实施这些规划时，“要避免上马重复项目，不能为了示范而示范”，将储能示范项目数据的公开与共享，便于研究，也便于监督。
同时，应该开展大型储能电站的仿真与模拟研究，像测试电网扰动那样，建立大型模拟系统，并给出一个扰动信号，看电网如何反应、会不会崩溃。而对于企业愿意积极实施的商业示范项目，政府应尽可能给予政策支持，推动储能商业模式的创新发展。
“要推动新的电池技术、储能技术的推广，不能让储能行业重蹈光伏产业的覆辙。”黄学杰表示。
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