大容量锂电池在分布式储能系统中的应用和前景

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(1.贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学 材料与冶金学院，贵州 贵阳 550025)

0 引言

风能、太阳能和海洋能等可再生能源由于其在发电时具有明显的间歇性，发出的电力不稳定，波动较大、可调节性差，导致电网大规模并网运行的稳定性和安全性将受到严重影响。另一方面，电网供电的巨大峰谷差，也是我国当前许多大城市电力供应的难题。配套大容量储能装置可以解决间歇式可再生能源发电直接并网对电网的冲击，也可以用于削峰填谷平衡电网供电的峰谷差。智能电网的建设和电动汽车的推广也离不开大容量储能技术的支持，因此大容量储能技术己经成为世界各国新能源技术发展的重点，储能设备的制造将成为一个新兴产业，市场的潜力很大[1]。

早期的储能装置采用铅酸电池，由于铅酸电池成本低且安全性能高于其他化学电池，被广泛应用在电网中。同期的锂电池相比铅酸电池在安全性上存在比较大的差距。20世纪60、70年代的石油危机迫使人们去寻找替代能源，并开始探索将锂电池作为替代能源。随后，经过大量理论和实验研究，尤其是对嵌入化合物的研究，大大推动了锂电池的发展。

经过学者们的研究，不断探索选择新型正负极材料，不仅提高了锂电池的安全性能，还降低了成本，使锂电池趋向多元化。与此同时，国际越来越重视环保与资源利用率，使得锂电池的发展与应用具有非常重要的意义。

1 锂电池的充放电原理

1.1 传统铅酸电池与锂电池的比较

与目前广泛应用在分布式系统中的铅酸电池相比，锂电池在性能上占有明显的优势，如表1所示。

(1)安全性好，循环寿命长

金属锂在充放电过程中伴随着锂的溶解和析出，从而形成多孔结晶。锂电池采用炭材料，而锂离子在负极炭中嵌入和脱出，从而使锂沉积的几率大大减小，很大程度的提高了锂电池的安全性。同时，锂电池由于在前三次循环中会形成SEI膜[1]，效率在75%～95%左右，之后的效率都接近100%，而电池效率接近100%，其循环寿命将达到500次以上。

表1 电动车用铅酸电池与锂电池的比较

(2)自放电率小

锂电池在首次充放电过程中会在炭负极的表面形成SEI膜。SEI膜允许锂离子通过，同时电子绝缘膜隔绝了电解液与炭颗粒的接触，阻止了许多副反应的发生，使不同荷电状态的电极活性物质处于相对稳定态，因此电池有较低的自放电率[2]。

1.2 锂电池的工作原理

图1 充放电原理示意图

锂电池 (摇椅式电池)是指以两种不同的能够可逆嵌入和脱出锂离子的化合物分别作为电池的正极和负极的二次电池体系。放电原理[3](以石墨为负极、LiCo2为正极为例)如图1。

正极：LiCo2↔Li1-XCo2+xLi++xe-

负极：6C+xLi++xe-↔LixC6

总反应式：6C+LiCo2↔Li1-xCoO2+LixC6

在正极，Li+以及Co3+位于晶格中，氧层位于他们的周围，电池充电时，锂离子脱嵌后，电子释放出来，Co3+变成Co4+放电时，锂离子嵌入到晶格中，获得了一个电子，石墨与此同时获得了一个电子，石墨烯分子的平面上会出现刚刚得到的电子，静电作用就会在电子与锂离子之间发生，由于在负极中产生的静电作用，使得锂离子变大。

LiMPO4为有序的橄榄石晶体结构，M离子位于橄榄石结构的Z字链上，锂离子位于其交替平面的直线链上，所有的锂离子都可以发生脱嵌，得到为Pbnm正交空间群层状MPO4型的结构。其中研究最多的就是LiFePO4，主要原因就是在于其比较便宜，对环境无害(毒性明显低于氧化钴锂、氧化镍锂、氧化锰锂正极材料)可逆性好，并且其中阴离子可稳定其结构，防止铁离子的溶解。

1.3 大容量锂电池的性能特点

1)大电流充放电时，极化大、电阻大，因此大容量的锂电池必须采用相应的电池材料如：改性的硬碳材料、新型的正极材料；同时，由于大电流放电过程中电池内部温差较大，需要加强电池(组)的平衡性设计，如：电池温控装置的设计，电池的极耳设计，以及工艺上的严格控制都是必要。

2)锂电池在常温条件下的大电流放电能力较差，因此大容量锂电池组应有相应的使用温度，一般要大于40℃。

3)电解液的导电能力是影响锂电池大电流放电能力的主要因素。

4)大容量电池内部的放电条件是非常不统一的，作为动力电池的大容量离子电池的极耳分布和电池的厚度对其安全性和使用寿命有一定影响。

5)由于大容量锂电池的使用温度比较高，可以采用红外成像方法对其安全性和热性能进行检测。

1.4 大容量锂电池的应用场合

1)移动基站电源。用于数量众多的通信基站(约250万个)供电，可有效减少从公共电网敷设电缆的费用，提高通信系统基站布设的灵活性；通过车载化等便携式处理，在无公共电网覆盖区域满足一定时间的持续供电需求；

2)孤岛发电。用于边远山区和海岛等公共输电线路距离较远的用电场所，解决集中式供电难以解决的问题；采用锂电池作为储能介质，也可有效避免铅酸电池带来的严重环境污染，同时延长储能系统的寿命，减少故障概率和维护成本。

3)分布式储能。布置和组网灵活，可以根据实际使用需求，决定分布式电站的数量，以及分布式电站间是否组网；通过分布式电站远程综合管理平台，实现对组网和未组网状态下的分布式电站的状态远程实时监测和控制等功能。

2 国内外锂电池的发展与应用

2.1 国外

最早市场化的钾电池是应用于心脏起搏器的一次锂—碘电池[4]。1991年6月日本Sony公司推出了LiCoO2一硬碳电池，相比于传统电池具有能量密度高、输出电压高、输出功率大、自放电小、工作温度宽、无记忆效应和环境友好等特点，同年，日本索尼公司实现产业化，小型锂电池被广泛应用于手机、笔记本电脑等便携式电子设备中。动力电池主要用于电动汽车、自行车和电动工具，2009年大容量锂电池已经开始在电动汽车中开始试用。

国际电池公司(International Battery)于2010年开发、设计、制造和试验应用于可再生能源发电项目和支持智能电网的1 MW大型储能系统(BESS)，并于2011年第二季度进行测试。该产品可以储存电能800 kWh，是2012年全球最大的电池系统。该储存系统采用国际电池公司的大容量锂电池和电池管理系统以及控制/通讯系统构成，容纳在12. 2 m(40英尺)移动式容器中[1]。同年，德国EV()NIK工业股份公司联合戴姆勒汽车公司和一些研发机构共同开发廉价大容量锂电池。该蓄电池参考了一种为电动汽车设计的陶瓷与高分子锂电池结合的技术，产品的体积小、循环稳定性好。该公司利用这种锂电池在德国西部萨尔州的一个发电站建了一个功率为1 MW储电装置，电池储电量约700 kWh，储电装置的体积则只有纯电动或混合动力汽车电池的40至50倍。

自欧盟确定RPF环保禁铅令，并要求在2014年前取消在电子设备中的含铅部件及产品，铅酸电池市场直线下滑。更加促进了锂电池的发展。目前，国外已有不少大规模两万千瓦锂离子储能电池应用在电网调峰和储能电站，在环保、降低电网建设成本和减少电力传输过程中的电力损失等方面效果显著，取得了很好的经济效益和社会影响。

2.2 国内

我国锂电池产业起步比较晚，此前，铅酸电池一直是应用最广泛的化学电池。但随着我国科技的进步，我国各级政府绿色环保的重视日益增加，国家政策鼓励和支持锂电池和锂电池储能系统产业发展，目前中国是世界上大容量锂电池的生产大国，并排名第二。我国“十二五”科学和技术发展规划，将发展大容量蓄电池列入其中。

2011年12月，由财政部、科技部和国家电网公司共同启动的国家风光储输示范项目一期工程在河北省张北县投运。该示范项目设计了4套磷酸铁锂电池系统。同年，中科院长春应化所储能材料与器件研究院暨常州市储能材料与器件产业技术创新战略联盟成立，并以大容量锂离子电池负极材料、功能型锂电池电解液等新能源、新材料研发为主要研发方向。到2013年，整个储能市场，达到53.7 MWh，锂电池在部分领域有一些应用，电力辅助方面，锂电池两个兆瓦左右，风电场锂电池24 MW，电网4 MW，分布式能源锂电池有一部分，更多是铅酸电池，电动汽车20%左右。尽管目前铅酸电池仍占据较大的市场比例，但锂电池将作为新型替代电源取代铅酸电池的市场地位的发展趋势已成必然。

3 我国应用前景展望

经过近几年的发展，尤其是锂电池储能系统工程的不断增加和投入运行，充分体现了大容量锂电池的优越性。再加上我国加大了对锂电池的研究，从极板材料、电解质等方面不断提升锂电池的性能以及安全性，在我国大力提倡建设资源节约、环境友好型社会的政策下，大容量锂电池将具有非常广阔的应用前景。

3.1 电动工具

中国电动工具市场的发展与房地产的发展有很大关联性。目前中国房地产的发展已经见顶，电动工具市场需要经历转型，因此，未来5年的市场总量的增长将很有限。另外，这个市场锂电池替代传统电池的速度，预计几年后基本完成对其他二次电池的替代。

3.2 移动基站电源

新增移动基站采用了4.38万kWh锂电池，老站因更换电源采用了1.42万kWh的锂离子电池，基本上都是磷酸铁锂电池。这也是中国磷酸铁锂电池产业为自救而展开的市场创新。从这也可以看到，移动基站电源市场将会成为中国锂电池企业重点开发的一个市场，主要目的就是取代现有的铅酸电池。虽然这个市场目前大部分还是使用铅酸电池，只要在性价比方面合适，锂离子电池就将快速取代铅酸电池。

3.3 新能源分布式储能

风光发电(指风力发电和光伏发电)储能配套以及电网储能配套对电池产品也有着越来越巨大的需求渴望，前者的目的是将不稳定的新能源发电为人们稳定地使用，后者是为了让电网更具智能化，削峰填谷，平抑波动，从而提高电力的使用效率。但是，目前的电池系统集成技术以及价格还是横亘在这种需求面前的两道巨大障碍，因此短期内电池要在这个市场实现突破还比较难，目前也只是一些零星的试验性应用，不过，这种试验正在呈现明显的增多的趋势。

4 结语

基于大容量锂电池的诸多优点，研究和发展大容量锂电池在电网中的应用，并推进相关安全检测技术在我国电力系统中的工程应用，符合我国建设资源节约型、环境友好型社会的国策，再加上我国是锂电池的出口大国，必将会为我国带来巨大的经济和社会效益。

[1] 钱伯章，朱建芳，等.大容量储能技术和产业发展的新动态[J].电力与能源，2012：271-274

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

[3] 胡广侠.锂离子电池充放电过程的研究[D].上海：上海微系统与信息技术研究所，2002

[4] 佘庆桃.大功率锂电池的充放电控制及特性研究[D].安徽:安徽理工大学,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