鉅大LARGE | 點擊量：4689次 | 2021年04月08日
簡析鋰離子電池儲能在電動汽車及新能源方面的應用
近幾十年來，儲能技術的研究和發(fā)展一直受到各國能源、交通、電力、電訊等部門的重視，隨著電力系統(tǒng)逐漸由傳統(tǒng)電力系統(tǒng)向現(xiàn)代電力系統(tǒng)的過渡與發(fā)展，儲能技術將扮演著越來越重要的角色。電力系統(tǒng)的運行就是在滿足安全、穩(wěn)定、經濟等約束條件下，發(fā)電與負荷的平衡，一旦這種供要平衡被打破，電能質量將得不到保證，能源得不到充分利用，甚至將引起電網(wǎng)的崩潰。然而現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，由于發(fā)電側除了有傳統(tǒng)的火電、水電、核電等，還允許一定容量的新能源發(fā)電或分布式發(fā)電的接入，這就導致了發(fā)電側的隨機性和不易控，加上負荷側的隨機性，再要維持供需平衡就越發(fā)困難，甚至不可能實現(xiàn)。這時，假如能在發(fā)、輸、用等環(huán)節(jié)引入大規(guī)模儲能裝置，供應電能的補償與平滑，將有利于功率平衡的控制。
另一方面，隨著智能電網(wǎng)概念的不斷深入，對現(xiàn)代電網(wǎng)也提出的更高的要求，不僅要能供應優(yōu)質的電能，還要允許各種新能源及分布式能源的柔性接入，然而這兩個要求本來又是相互矛盾的，比如風電、光伏發(fā)電具有很大的隨機性和間歇性，接入電網(wǎng)后必然后影響電能質量。那么，要實現(xiàn)風電、光伏發(fā)電等的接入而同時能保證電能質量的目標，在發(fā)電環(huán)節(jié)接入大規(guī)模儲能裝置無疑是行之有效的辦法。
電能的存儲是伴隨著電力工業(yè)發(fā)展一直存在的問題，盡管到現(xiàn)在為止也沒有一種非常完美的儲能技術，但經過幾代科學家的努力，一些比較成熟的儲能技術已經在電力行業(yè)發(fā)揮著重要的用途。大規(guī)模儲能技術已然成為電網(wǎng)運行過程中采–發(fā)–輸–配–用–儲六大環(huán)節(jié)中的重要組成部分。
儲能技術分類
電能可以轉換為化學能、勢能、動能、電磁能等形態(tài)存儲，按照其具體方式可分為物理、電磁、電化學和相變儲能四大類型。其中物理儲能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能；電磁儲能包括超導、超級電容和高能密度電容儲能；電化學儲能包括鉛酸、鎳氫、鎳鎘、鋰離子、鈉硫和液流等電池儲能；相變儲能包括冰蓄冷儲能等。本文著重討論鋰離子電池儲能技術。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
鋰離子電池儲能技術
（一）鋰離子電池原理
鋰離子電池是一種新型的環(huán)保的高性能的電池，它最初的應用體現(xiàn)在小容量的電池應用方面，相關于鉛酸電池和鎳氫電池，它具有體積小、容量高、無污染、安全性好的幾大優(yōu)點，隨著新型的鋰離子正極材料的出現(xiàn)，鋰離子電池的應用范圍不斷拓展，已經從單一的手機電池應用拓展到大中小型電動汽車、電力儲能、后備電源、電動工具與航模等各個領域。
鋰離子電池是一種充電電池，它重要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。一般采用含有鋰元素的材料作為電極的電池，是現(xiàn)代高性能電池的代表。
（二）鋰離子電池特點
鋰離子電池由于兼具高比能量和高比功率的顯著優(yōu)勢，被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ?a href="/keywords/dlldc/" class = "seo-anchor" data-anchorid=126 target="_blank">動力鋰電池體系。
相比其他電化學電流，鋰離子電池有著很多自身的優(yōu)點，即重量輕、儲能容量大、功率大、無污染、壽命長、自放電系數(shù)小、溫度適應范圍廣等；但是，由于其工作過程中要保持高溫，有一定安全隱患，電池安全性不高。由此也決定了鋰離子電池可應用于電能質量，可靠性控制，備用電源，削峰填谷，能量管理，可再生儲能等方面。
鋰離子電池的關鍵技術
目前制約大容量鋰離子動力鋰電池應用的最重要障礙是電池的安全性，即電池在過充、短路、沖壓、穿刺、振動、高溫熱沖擊等濫用條件下，極易發(fā)生爆炸或燃燒等不安全行為。根據(jù)PH.Biensan等的研究證明：鋰離子電池在濫用的條件下有可能達到使鋁集流體熔化的高溫(>700℃)，從而導致電池出現(xiàn)冒煙、著火爆炸、乃至人員受傷等。因此，解決安全問題是首要關鍵技術。
（一）電極材料的選擇
（1）負極材料的安全性。目前，商業(yè)化的鋰離子電池多采用碳材料為負極，在充放電過程中，鋰在碳顆粒中嵌入和脫出，從而減少鋰枝晶形成的可能，提高電池的安全性,但這并不表示碳負極沒有安全性問題。
（2）正極材料的安全性。正極材料的安全性重要包括熱穩(wěn)定性和過充安全性。目前，常見的鋰離子電池正極活性材料有LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiNl-xCoxO2、LiFePO4和LiCol/3Nil/3Mnl/3O2。研究表明LiMn2O4和LiFePO4的安全性能較好。
（3）電解液的影響。在電解液中，使用熔點低、沸點高、分解電壓高的有機溶劑，是提高鋰離子電池安全性能的有效途徑之一，目前，商業(yè)化的鋰離子電池多采用LiPF6為導電劑，但是LiPF6也存在著安全隱患，所以目前急需尋找一種安全性能更好的導電劑代替LiPF6。電解液添加劑是目前公認的提高鋰離子電池安全性的有效手段，通過添加不同的添加劑，可以起到改善SEI膜性能，保護正極活性物質，穩(wěn)定LiPF6，提高過充安全性以及阻燃等用途。
（二）制造工藝的影響
鋰離子電池的制造工藝可分為圓柱式和疊片式，無論是什么結構的鋰離子電池，其電極制造、電池裝配等制造過程都會影響電池的安全性能。鋰離子電池的制造工藝包括：正極和負極混料、涂布、輥壓、裁片、焊接極耳、卷繞或層疊、注液、封口、化成等。其中每一道工序都會影響電池的安全性能。制造工藝中起重要用途的有以下三個方面：正負極容量配比、漿料均勻度控制、涂布質量控制。
（一）鋰離子電池應用于電動汽車
現(xiàn)在市面上大量使用的電動汽車動力鋰電池重要有以下幾種類型：鉛酸蓄電池、鋰離子電池、鎳氫電池、鎳鋅電池、鎳鎘電池。表4.1是幾種常用的動力鋰電池參數(shù)。
注：電動汽車電池組單體數(shù)據(jù)為中航鋰電有限公司生產的SE400AHA，容量標定為3小時率。
由表4.1和4.2可以看出，相較鎳氫電池，鋰離子電池具有相對較高的工作電壓和較大的比能量，是鎳氫電池的3倍。鋰離子電池還具有體積小，質量輕，循環(huán)壽命長，自放電率低，無記憶效應且無污染等優(yōu)點。
目前在電動汽車中，應用較多的鋰離子電池是磷酸鐵鋰離子電池，它具有磷氧共價鍵結構，使氧原子不會被釋放出來，因而熱穩(wěn)定性和安全性較好，同時價格相對便宜。這些因素使磷酸鐵鋰離子電池成為小型電動汽車和PHEV動力鋰電池首選。
鋰離子電池技術的先進性和在電動汽車領域的應用，已激發(fā)全球范圍內的研發(fā)熱潮，因此鋰離子電池勢必將在電動汽車和新能源領域占據(jù)重要位置。目前世界上大多數(shù)汽車公司的首選目標和主攻方向，全球已有20余家主流公司進行車載鋰離子動力鋰電池研發(fā)，如富士重工、三洋電機、NEC、東芝、美國江森自控公司等。
國內重要的車用鋰離子動力鋰電池生產商有中航鋰電，中信國安盟固利和萬向集團等。北京作為十城千輛的代表城市，2009年開始推廣新能源汽車，2011年北京有50輛北汽福田的迷迪純電動出租車開始在延慶試運行。汽車采用北京汽車新能源電池科技有限公司所生產的鋰離子動力鋰電池，電池容量25kWh，理論續(xù)航里程150km。
（二）鋰離子電池應用于新能源發(fā)電
我國風電裝機容量為764MW，到2020年時將達到30GW，而光伏發(fā)電將達到1GW，可再生能源在我國未來的能源結構中將占有極其重要的位置。風能、太陽能等可再生能源發(fā)電具有隨機性和間歇性的特點，當風電、光電容量所占比例超過10%后，對局部電網(wǎng)將出現(xiàn)明顯沖擊，嚴重時會引發(fā)大規(guī)模惡性事故。因此，研發(fā)高效儲能裝置及其配套設備，與風電/光伏發(fā)電機組容量相匹配，支持充放電狀態(tài)的迅速切換，確保并網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定已成為可再生能源充分利用的關鍵。
能源的大規(guī)模儲存能力關于發(fā)展新能源至關重要，鋰離子電池在大規(guī)模儲能領域有著很好的應用前景。首先，可以解決電網(wǎng)用電的峰谷調節(jié)難題；其次，風能、太陽能、潮汐能等清潔能源都是間斷性的能源，鋰電儲能設備配合上述清潔能源的使用，在發(fā)電時儲能，在間斷期間釋放能量，能有效地緩解我國能源緊缺的現(xiàn)狀。下表為鋰離子電池應用于電力系統(tǒng)的情況。
鋰離子電池將是繼鎳鎘、鎳氫電池之后，很長一段時間內市場前景最好，發(fā)展最快的一種二次電池。
儲能技術在提高可再生能源利用率以及電力系統(tǒng)各個方面的都具有一定的應用前景。儲能技術對解決電力系統(tǒng)的供電壓力，改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高供電質量供應了新的思路和有效的技術支持，也正因為如此，目前世界各國，特別是發(fā)達的國家，都在積極開展各方面的儲能研究，并將其用于電力系統(tǒng)的實際。鋰離子電池由于兼具高比能量和高比功率的顯著優(yōu)勢，被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ膭恿︿囯姵伢w系，近年來鋰離子電池的研究和開發(fā)已取得重大進展。盡管鋰離子電池儲能技術依然存在一些問題，比如安全性問題，但對它的應用與研究仍在不斷向前發(fā)展，其在電動汽車、新能源發(fā)電等方面有較大的應用前景。
