大容量鋰電池在分布式儲能系統中的應用和前景

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(1.貴州大學 電氣工程學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學 材料與冶金學院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

風能、太陽能和海洋能等可再生能源由于其在發電時具有明顯的間歇性，發出的電力不穩定，波動較大、可調節性差，導致電網大規模并網運行的穩定性和安全性將受到嚴重影響。另一方面，電網供電的巨大峰谷差，也是我國當前許多大城市電力供應的難題。配套大容量儲能裝置可以解決間歇式可再生能源發電直接并網對電網的沖擊，也可以用于削峰填谷平衡電網供電的峰谷差。智能電網的建設和電動汽車的推廣也離不開大容量儲能技術的支持，因此大容量儲能技術己經成為世界各國新能源技術發展的重點，儲能設備的制造將成為一個新興產業，市場的潛力很大[1]。

早期的儲能裝置采用鉛酸電池，由于鉛酸電池成本低且安全性能高于其他化學電池，被廣泛應用在電網中。同期的鋰電池相比鉛酸電池在安全性上存在比較大的差距。20世紀60、70年代的石油危機迫使人們去尋找替代能源，并開始探索將鋰電池作為替代能源。隨后，經過大量理論和實驗研究，尤其是對嵌入化合物的研究，大大推動了鋰電池的發展。

經過學者們的研究，不斷探索選擇新型正負極材料，不僅提高了鋰電池的安全性能，還降低了成本，使鋰電池趨向多元化。與此同時，國際越來越重視環保與資源利用率，使得鋰電池的發展與應用具有非常重要的意義。

1 鋰電池的充放電原理

1.1 傳統鉛酸電池與鋰電池的比較

與目前廣泛應用在分布式系統中的鉛酸電池相比，鋰電池在性能上占有明顯的優勢，如表1所示。

(1)安全性好，循環壽命長

金屬鋰在充放電過程中伴隨著鋰的溶解和析出，從而形成多孔結晶。鋰電池采用炭材料，而鋰離子在負極炭中嵌入和脫出，從而使鋰沉積的幾率大大減小，很大程度的提高了鋰電池的安全性。同時，鋰電池由于在前三次循環中會形成SEI膜[1]，效率在75%～95%左右，之后的效率都接近100%，而電池效率接近100%，其循環壽命將達到500次以上。

表1 電動車用鉛酸電池與鋰電池的比較

(2)自放電率小

鋰電池在首次充放電過程中會在炭負極的表面形成SEI膜。SEI膜允許鋰離子通過，同時電子絕緣膜隔絕了電解液與炭顆粒的接觸，阻止了許多副反應的發生，使不同荷電狀態的電極活性物質處于相對穩定態，因此電池有較低的自放電率[2]。

1.2 鋰電池的工作原理

圖1 充放電原理示意圖

鋰電池 (搖椅式電池)是指以兩種不同的能夠可逆嵌入和脫出鋰離子的化合物分別作為電池的正極和負極的二次電池體系。放電原理[3](以石墨為負極、LiCo2為正極為例)如圖1。

正極：LiCo2?Li1-XCo2+xLi++xe-

負極：6C+xLi++xe-?LixC6

總反應式：6C+LiCo2?Li1-xCoO2+LixC6

在正極，Li+以及Co3+位于晶格中，氧層位于他們的周圍，電池充電時，鋰離子脫嵌后，電子釋放出來，Co3+變成Co4+放電時，鋰離子嵌入到晶格中，獲得了一個電子，石墨與此同時獲得了一個電子，石墨烯分子的平面上會出現剛剛得到的電子，靜電作用就會在電子與鋰離子之間發生，由于在負極中產生的靜電作用，使得鋰離子變大。

LiMPO4為有序的橄欖石晶體結構，M離子位于橄欖石結構的Z字鏈上，鋰離子位于其交替平面的直線鏈上，所有的鋰離子都可以發生脫嵌，得到為Pbnm正交空間群層狀MPO4型的結構。其中研究最多的就是LiFePO4，主要原因就是在于其比較便宜，對環境無害(毒性明顯低于氧化鈷鋰、氧化鎳鋰、氧化錳鋰正極材料)可逆性好，并且其中陰離子可穩定其結構，防止鐵離子的溶解。

1.3 大容量鋰電池的性能特點

1)大電流充放電時，極化大、電阻大，因此大容量的鋰電池必須采用相應的電池材料如：改性的硬碳材料、新型的正極材料；同時，由于大電流放電過程中電池內部溫差較大，需要加強電池(組)的平衡性設計，如：電池溫控裝置的設計，電池的極耳設計，以及工藝上的嚴格控制都是必要。

2)鋰電池在常溫條件下的大電流放電能力較差，因此大容量鋰電池組應有相應的使用溫度，一般要大于40℃。

3)電解液的導電能力是影響鋰電池大電流放電能力的主要因素。

4)大容量電池內部的放電條件是非常不統一的，作為動力電池的大容量離子電池的極耳分布和電池的厚度對其安全性和使用壽命有一定影響。

5)由于大容量鋰電池的使用溫度比較高，可以采用紅外成像方法對其安全性和熱性能進行檢測。

1.4 大容量鋰電池的應用場合

1)移動基站電源。用于數量眾多的通信基站(約250萬個)供電，可有效減少從公共電網敷設電纜的費用，提高通信系統基站布設的靈活性；通過車載化等便攜式處理，在無公共電網覆蓋區域滿足一定時間的持續供電需求；

2)孤島發電。用于邊遠山區和海島等公共輸電線路距離較遠的用電場所，解決集中式供電難以解決的問題；采用鋰電池作為儲能介質，也可有效避免鉛酸電池帶來的嚴重環境污染，同時延長儲能系統的壽命，減少故障概率和維護成本。

3)分布式儲能。布置和組網靈活，可以根據實際使用需求，決定分布式電站的數量，以及分布式電站間是否組網；通過分布式電站遠程綜合管理平臺，實現對組網和未組網狀態下的分布式電站的狀態遠程實時監測和控制等功能。

2 國內外鋰電池的發展與應用

2.1 國外

最早市場化的鉀電池是應用于心臟起搏器的一次鋰—碘電池[4]。1991年6月日本Sony公司推出了LiCoO2一硬碳電池，相比于傳統電池具有能量密度高、輸出電壓高、輸出功率大、自放電小、工作溫度寬、無記憶效應和環境友好等特點，同年，日本索尼公司實現產業化，小型鋰電池被廣泛應用于手機、筆記本電腦等便攜式電子設備中。動力電池主要用于電動汽車、自行車和電動工具，2009年大容量鋰電池已經開始在電動汽車中開始試用。

國際電池公司(International Battery)于2010年開發、設計、制造和試驗應用于可再生能源發電項目和支持智能電網的1 MW大型儲能系統(BESS)，并于2011年第二季度進行測試。該產品可以儲存電能800 kWh，是2012年全球最大的電池系統。該儲存系統采用國際電池公司的大容量鋰電池和電池管理系統以及控制/通訊系統構成，容納在12. 2 m(40英尺)移動式容器中[1]。同年，德國EV()NIK工業股份公司聯合戴姆勒汽車公司和一些研發機構共同開發廉價大容量鋰電池。該蓄電池參考了一種為電動汽車設計的陶瓷與高分子鋰電池結合的技術，產品的體積小、循環穩定性好。該公司利用這種鋰電池在德國西部薩爾州的一個發電站建了一個功率為1 MW儲電裝置，電池儲電量約700 kWh，儲電裝置的體積則只有純電動或混合動力汽車電池的40至50倍。

自歐盟確定RPF環保禁鉛令，并要求在2014年前取消在電子設備中的含鉛部件及產品，鉛酸電池市場直線下滑。更加促進了鋰電池的發展。目前，國外已有不少大規模兩萬千瓦鋰離子儲能電池應用在電網調峰和儲能電站，在環保、降低電網建設成本和減少電力傳輸過程中的電力損失等方面效果顯著，取得了很好的經濟效益和社會影響。

2.2 國內

我國鋰電池產業起步比較晚，此前，鉛酸電池一直是應用最廣泛的化學電池。但隨著我國科技的進步，我國各級政府綠色環保的重視日益增加，國家政策鼓勵和支持鋰電池和鋰電池儲能系統產業發展，目前中國是世界上大容量鋰電池的生產大國，并排名第二。我國“十二五”科學和技術發展規劃，將發展大容量蓄電池列入其中。

2011年12月，由財政部、科技部和國家電網公司共同啟動的國家風光儲輸示范項目一期工程在河北省張北縣投運。該示范項目設計了4套磷酸鐵鋰電池系統。同年，中科院長春應化所儲能材料與器件研究院暨常州市儲能材料與器件產業技術創新戰略聯盟成立，并以大容量鋰離子電池負極材料、功能型鋰電池電解液等新能源、新材料研發為主要研發方向。到2013年，整個儲能市場，達到53.7 MWh，鋰電池在部分領域有一些應用，電力輔助方面，鋰電池兩個兆瓦左右，風電場鋰電池24 MW，電網4 MW，分布式能源鋰電池有一部分，更多是鉛酸電池，電動汽車20%左右。盡管目前鉛酸電池仍占據較大的市場比例，但鋰電池將作為新型替代電源取代鉛酸電池的市場地位的發展趨勢已成必然。

3 我國應用前景展望

經過近幾年的發展，尤其是鋰電池儲能系統工程的不斷增加和投入運行，充分體現了大容量鋰電池的優越性。再加上我國加大了對鋰電池的研究，從極板材料、電解質等方面不斷提升鋰電池的性能以及安全性，在我國大力提倡建設資源節約、環境友好型社會的政策下，大容量鋰電池將具有非常廣闊的應用前景。

3.1 電動工具

中國電動工具市場的發展與房地產的發展有很大關聯性。目前中國房地產的發展已經見頂，電動工具市場需要經歷轉型，因此，未來5年的市場總量的增長將很有限。另外，這個市場鋰電池替代傳統電池的速度，預計幾年后基本完成對其他二次電池的替代。

3.2 移動基站電源

新增移動基站采用了4.38萬kWh鋰電池，老站因更換電源采用了1.42萬kWh的鋰離子電池，基本上都是磷酸鐵鋰電池。這也是中國磷酸鐵鋰電池產業為自救而展開的市場創新。從這也可以看到，移動基站電源市場將會成為中國鋰電池企業重點開發的一個市場，主要目的就是取代現有的鉛酸電池。雖然這個市場目前大部分還是使用鉛酸電池，只要在性價比方面合適，鋰離子電池就將快速取代鉛酸電池。

3.3 新能源分布式儲能

風光發電(指風力發電和光伏發電)儲能配套以及電網儲能配套對電池產品也有著越來越巨大的需求渴望，前者的目的是將不穩定的新能源發電為人們穩定地使用，后者是為了讓電網更具智能化，削峰填谷，平抑波動，從而提高電力的使用效率。但是，目前的電池系統集成技術以及價格還是橫亙在這種需求面前的兩道巨大障礙，因此短期內電池要在這個市場實現突破還比較難，目前也只是一些零星的試驗性應用，不過，這種試驗正在呈現明顯的增多的趨勢。

4 結語

基于大容量鋰電池的諸多優點，研究和發展大容量鋰電池在電網中的應用，并推進相關安全檢測技術在我國電力系統中的工程應用，符合我國建設資源節約型、環境友好型社會的國策，再加上我國是鋰電池的出口大國，必將會為我國帶來巨大的經濟和社會效益。

[1] 錢伯章，朱建芳，等.大容量儲能技術和產業發展的新動態[J].電力與能源，2012：271-274

[2] Doron Aurbach, J. Electrochemical Society.1994：603-611

[3] 胡廣俠.鋰離子電池充放電過程的研究[D].上海：上海微系統與信息技術研究所，2002

[4] 佘慶桃.大功率鋰電池的充放電控制及特性研究[D].安徽:安徽理工大學,2013

[5] Phipps J. B., Hayes T. G., Skarstad P. M.Solid/liquid composite electrolyte in Li/I2Untereker D. F. In-situ formation of abatteries [J]. Solid State Ionics，1986：18-19, Part 2: 1073-1077