简析锂离子电池储能在电动汽车及新能源方面的应用
来源：宝鄂实业
2019-03-17 15:52
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近几十年来，储能技术的研究和发展一直受到各国能源、交通、电力、电讯等部门的重视，随着电力系统逐渐由传统电力系统向现代电力系统的过渡与发展，储能技术将扮演着越来越重要的角色。电力系统的运行就是在满足安全、稳定、经济等约束条件下，发电与负荷的平衡，一旦这种供需要平衡被打破，电能质量将得不到保证，能源得不到充分利用，甚至将引起电网的崩溃。然而现代电力系统中，由于发电侧除了有传统的火电、水电、核电等，还允许一定容量的新能源发电或分布式发电的接入，这就导致了发电侧的随机性和不易控，加上负荷侧的随机性，再要维持供需平衡就越发困难，甚至不可能实现。这时，如果能在发、输、用等环节引入大规模储能装置，提供电能的补偿与平滑，将有利于功率平衡的控制。
另一方面，随着智能电网概念的不断深入，对现代电网也提出的更高的要求，不仅要能提供优质的电能，还要允许各种新能源及分布式能源的柔性接入，然而这两个要求本来又是相互矛盾的，比如风电、光伏发电具有很大的随机性和间歇性，接入电网后必然后影响电能质量。那么，要实现风电、光伏发电等的接入而同时能保证电能质量的目标，在发电环节接入大规模储能装置无疑是行之有效的办法。
电能的存储是伴随着电力工业发展一直存在的问题，尽管到现在为止也没有一种非常完美的储能技术，但经过几代科学家的努力，一些比较成熟的储能技术已经在电力行业发挥着重要的作用。大规模储能技术已然成为电网运行过程中“采–发–输–配–用–储”六大环节中的重要组成部分。
储能技术分类
电能可以转换为化学能、势能、动能、电磁能等形态存储，按照其具体方式可分为物理、电磁、电化学和相变储能四大类型。其中物理储能包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能；电磁储能包括超导、超级电容和高能密度电容储能；电化学储能包括铅酸、镍氢、镍镉、锂离子、钠硫和液流等电池储能；相变储能包括冰蓄冷储能等。本文着重讨论锂离子电池储能技术。
锂离子电池储能技术
（一）锂离子电池原理
锂离子电池是一种新型的环保的高性能的电池，它最初的应用体现在小容量的电池应用方面，相对于铅酸电池和镍氢电池，它具有体积小、容量高、无污染、安全性好的几大优点，随着新型的锂离子正极材料的出现，锂离子电池的应用范围不断拓展，已经从单一的手机电池应用拓展到大中小型电动汽车、电力储能、后备电源、电动工具与航模等各个领域。
锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池，是现代高性能电池的代表。
（二）锂离子电池特点
锂离子电池由于兼具高比能量和高比功率的显著优势，被认为是最具发展潜力的动力电池体系。
相比其他电化学电流，锂离子电池有着很多自身的优点，即重量轻、储能容量大、功率大、无污染、寿命长、自放电系数小、温度适应范围广等；但是，由于其工作过程中需要保持高温，有一定安全隐患，电池安全性不高。由此也决定了锂离子电池可应用于电能质量，可靠性控制，备用电源，削峰填谷，能量管理，可再生储能等方面。
锂离子电池的关键技术
目前制约大容量锂离子动力电池应用的最主要障碍是电池的安全性，即电池在过充、短路、冲压、穿刺、振动、高温热冲击等滥用条件下，极易发生爆炸或燃烧等不安全行为。根据P H.Biensan等的研究证明：锂离子电池在滥用的条件下有可能达到使铝集流体熔化的高温(>700℃)，从而导致电池出现冒烟、着火爆炸、乃至人员受伤等。因此，解决安全问题是首要关键技术。
（一）电极材料的选择
（1）负极材料的安全性。目前，商业化的锂离子电池多采用碳材料为负极，在充放电过程中，锂在碳颗粒中嵌入和脱出，从而减少锂枝晶形成的可能，提高电池的安全性,但这并不表示碳负极没有安全性问题。
（2）正极材料的安全性。正极材料的安全性主要包括热稳定性和过充安全性。目前，常见的锂离子电池正极活性材料有LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiNl-xCoxO2、LiFePO4和LiCol/3Nil/3Mnl/3O2。研究表明LiMn2O4和LiFePO4的安全性能较好。
（3）电解液的影响。在电解液中，使用熔点低、沸点高、分解电压高的有机溶剂，是提高锂离子电池安全性能的有效途径之一，目前，商业化的锂离子电池多采用LiPF6为导电剂，但是LiPF6也存在着安全隐患，所以目前急需寻找一种安全性能更好的导电剂代替LiPF6。电解液添加剂是目前公认的提高锂离子电池安全性的有效手段，通过添加不同的添加剂，可以起到改善SEI膜性能，保护正极活性物质，稳定LiPF6，提高过充安全性以及阻燃等作用。
（二）制造工艺的影响
锂离子电池的制造工艺可分为圆柱式和叠片式，无论是什么结构的锂离子电池，其电极制造、电池装配等制造过程都会影响电池的安全性能。锂离子电池的制造工艺包括：正极和负极混料、涂布、辊压、裁片、焊接极耳、卷绕或层叠、注液、封口、化成等。其中每一道工序都会影响电池的安全性能。制造工艺中起主要作用的有以下三个方面：正负极容量配比、浆料均匀度控制、涂布质量控制。
（一）锂离子电池应用于电动汽车
现在市面上大量使用的电动车动力电池主要有以下几种类型：铅酸蓄电池、锂离子电池、镍氢电池、镍锌电池、镍镉电池。表4.1 是几种常用的动力电池参数。
注：电动汽车电池组单体数据为中航锂电有限公司生产的SE400AHA，容量标定为3小时率。
由表4.1和4.2可以看出，相较镍氢电池，锂离子电池具有相对较高的工作电压和较大的比能量，是镍氢电池的3倍。锂离子电池还具有体积小，质量轻，循环寿命长，自放电率低，无记忆效应且无污染等优点。
目前在电动汽车中，应用较多的锂离子电池是磷酸铁锂电池，它具有磷氧共价键结构，使氧原子不会被释放出来，因而热稳定性和安全性较好，同时价格相对便宜。这些因素使磷酸铁锂电池成为小型电动汽车和PHEV动力电池首选。
锂离子电池技术的先进性和在电动汽车领域的应用，已激发全球范围内的研发热潮，因此锂离子电池势必将在电动汽车和新能源领域占据重要位置。目前世界上大多数汽车企业的首选目标和主攻方向，全球已有20余家主流企业进行车载锂离子动力电池研发，如富士重工、三洋电机、NEC、东芝、美国江森自控公司等。
国内主要的车用锂离子动力电池生产商有中航锂电，中信国安盟固利和万向集团等。北京作为“十城千辆”的代表城市，2009 年开始推广新能源汽车，2011 年北京有50 辆北汽福田的“迷迪”纯电动出租车开始在延庆试运行。汽车采用北京汽车新能源电池科技有限公司所生产的锂离子动力电池，电池容量25 kW·h，理论续航里程150km。
（二）锂离子电池应用于新能源发电
我国风电装机容量为764MW，到2020年时将达到30GW，而光伏发电将达到1GW，可再生能源在我国未来的能源结构中将占有极其重要的位置。风能、太阳能等可再生能源发电具有随机性和间歇性的特点，当风电、光电容量所占比例超过10%后，对局部电网将产生明显冲击，严重时会引发大规模恶性事故。因此，研发高效储能装置及其配套设备，与风电/光伏发电机组容量相匹配，支持充放电状态的迅速切换，确保并网系统的安全稳定已成为可再生能源充分利用的关键。
能源的大规模储存能力对于发展新能源至关重要，锂离子电池在大规模储能领域有着很好的应用前景。首先，可以解决电网用电的峰谷调节难题；其次，风能、太阳能、潮汐能等清洁能源都是间断性的能源，锂电储能设备配合上述清洁能源的使用，在发电时储能，在间断期间释放能量，能有效地缓解我国能源紧缺的现状。下表为锂离子电池应用于电力系统的情况。
锂离子电池将是继镍镉、镍氢电池之后，很长一段时间内市场前景最好，发展最快的一种二次电池。
储能技术在提高可再生能源利用率以及电力系统各个方面的都具有一定的应用前景。储能技术对解决电力系统的供电压力，改善电力系统的稳定性，提高供电质量提供了新的思路和有效的技术支持，也正因为如此，目前世界各国，特别是发达的国家，都在积极开展各方面的储能研究，并将其用于电力系统的实际。锂离子电池由于兼具高比能量和高比功率的显著优势，被认为是最具发展潜力的动力电池体系，近年来锂离子电池的研究和开发已取得重大进展。尽管锂离子电池储能技术依然存在一些问题，比如安全性问题，但对它的应用与研究仍在不断向前发展，其在电动汽车、新能源发电等方面有较大的应用前景。
