電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
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鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
近幾十年來，儲能技術的研究和發展一直受到各國能源、交通、電力、電訊等部門的重視，隨著電力系統逐漸由傳統電力系統向現代電力系統的過渡與發展，儲能技術將扮演著越來越緊要的角色。電力系統的運行就是在滿足安全、穩定、經濟等約束條件下，發電與負荷的平衡，一旦這種供要平衡被打破，電能質量將得不到保證，能源得不到充足利用，甚至將引起電網的崩潰。然而現代電力系統中，由于發電側除了有傳統的火電、水電、核電等，還準許一定容量的新能源發電或分布式發電的接入，這就導致了發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困難，甚至不可能實現。這時，倘若能在發、輸、用等環節引入大規模儲能裝置，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，隨著智能電網概念的不斷深入，對現代電網也提出的更高的要求，不僅要能供應優質的電能，還要準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、光伏發電具有很大的隨機性和間歇性，接入電網后必然后影響電能質量。那么，要實現風電、光伏發電等的接入而同時能保證電能質量的目標，在發電環節接入大規模儲能裝置無疑是行之有效的方法。
電能的存儲是伴隨著電力工業發展一直存在的問題，盡管到今朝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發揮著緊要的用途。大規模儲能技術已然成為電網運行過程中采–發–輸–配–用–儲六大環節中的緊要組成部分。
儲能技術分類
電能可以轉換為化學能、勢能、動能、電磁能等形態存儲，按照其詳盡方式可分為物理、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。本文著重討論鋰電池儲能技術。
鋰電池儲能技術
（一）鋰電池原理
鋰電池是一種新型的環保的高性能的電池，它最初的使用體今朝小容量的電池使用方面，相關于鉛酸蓄電池和鎳氫電池，它具有體積小、容量高、無污染、安全性好的幾大優勢，隨著新型的鋰離子正極材料的出現，鋰電池的使用范圍不斷拓展，已經從單一的手機電池使用拓展到大中小型電動車、電力儲能、后備電源、電動工具與航模等各個范疇。
鋰電池是一種充電電池，它緊要依賴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；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，是現代高性能電池的代表。
（二）鋰電池特點
鋰電池由于兼具高比能量和高比功率的顯著優點，被認為是最具發展潛力的動力鋰離子電池體系。
相比其他電化學電流，鋰電池有著很多自身的優勢，即重量輕、儲能容量大、功率大、無污染、壽命長、自放電系數小、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。由此也決定了鋰電池可使用于電能質量，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。
鋰電池的關鍵技術
目前制約大容量鋰離子動力鋰離子電池使用的最緊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，極易發生爆炸或燃燒等不安全行為。依據PH.Biensan等的研究證明：鋰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℃)，從而導致電池出現冒煙、著火爆炸、乃至人員受傷等。因此，處理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，商業化的鋰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。正極材料的安全性緊要包括熱穩定性和過充安全性。目前，常見的鋰電池正極活性材料有LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiNl-xCoxO2、LiFePO4和LiCol/3Nil/3Mnl/3O2。研究聲明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、分析電壓高的有機溶劑，是提高鋰電池安全性能的有效途徑之一，目前，商業化的鋰電池多采用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
鋰電池的制造工藝可分為圓柱式和疊片式，無論有哪些結構的鋰電池，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。制造工藝中起緊要用途的有以下三個方面：正負極容量配比、漿料平均度控制、涂布質量控制。
（一）鋰電池使用于電動車
今朝市面上大量使用的電動車動力鋰離子電池緊要有以下幾種類型：鉛酸電池、鋰電池、鎳氫電池、鎳鋅電池、鎳鎘電池。表4.1是幾種常用的動力鋰離子電池參數。
注：電動車電池包單體數據為中航鋰電有限公司加工的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。鋰電池還具有體積小，質量輕，循環壽命長，自放電率低，無記憶效應且無污染等優勢。
目前在電動車中，使用較多的鋰電池是磷酸鐵鋰電池，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電池成為小型電動車和PHEV動力鋰離子電池首選。
鋰電池技術的先進性和在電動車范疇的使用，已激發全球范圍內的研發熱潮，因此鋰電池勢必將在電動車和新能源范疇占據緊要位置。目前世界上大多數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離子電池研發，如富士重工、三洋電機、NEC、東芝、美國江森自控公司等。
國內緊要的車用鋰離子動力鋰離子電池加工商有中航鋰電，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加工的鋰離子動力鋰離子電池，電池容量25kWh，理論續航里程150km。
（二）鋰電池使用于新能源發電
我國風電裝機容量為764MW，到2020年時將達到30GW，而光伏發電將達到1GW，可再生能源在我國將來的能源結構中將占有極其緊要的位置。風能、太陽能等可再生能源發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，對局部電網將出現分明沖擊，嚴重時會引發大規模惡性事故。因此，研發高效儲能裝置及其配套設備，與風電/光伏發電機組容量相匹配，支持充放電狀態的迅速切換，確保并網系統的安全穩定已成為可再生能源充足利用的關鍵。
能源的大規模儲存能力關于發展新能源至關緊要，鋰電池在大規模儲能范疇有著很好的使用前景。首先，可以處理電網用電的峰谷調節難題；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狀。下表為鋰電池使用于電力系統的情況。
鋰電池將是繼鎳鎘、鎳氫電池之后，很長一段時間內將來方向最好，發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各個方面的都具有一定的使用前景。儲能技術對處理電力系統的供電壓力，改善電力系統的穩定性，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的實際。鋰電池由于兼具高比能量和高比功率的顯著優點，被認為是最具發展潛力的動力鋰離子電池體系，近年來鋰電池的研究和開發已取得重大進展。盡管鋰電池儲能技術仍舊存在一些問題，比如安全性問題，但對它的使用與研究仍在不斷向前發展，其在電動車、新能源發電等方面有較大的使用前景。
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