鈦酸鋰儲能系統的使用與攻關

國家電網從2006年開始關注儲能技術，當時電池的選擇不多，我們重點技術攻關的項目是納米電池和液硫電池。當時沒有考慮用鋰電池做儲能，因為當時鋰電池的循環壽命是2000~3000次，這在電網使用中就沒什么價值。兩三千次的循環壽命，對電網來說就意味著電池在幾年內就要全更換一次，鋰電池不適合電網使用。到2009年，知道到鈦酸鋰電池的循環壽命可達上萬次，當時覺得不可思議。后來用鈦酸鋰電池樣品做探測，在循環1000多次的時候，容量沒有衰減。經過這么多年對鈦酸鋰電池的研發、評價和使用，鈦酸鋰電池實在具有長壽命的特點。當然它也有很大的缺點，就是太貴。國家電網作為用戶單位，一直努力尋找降低成本的辦法。

鈦酸鋰電池功率可以做高，但為了追求高功率，就要將材料納米化，納米化后加工出產等工序的工藝控制要求都很苛刻，從而成本提高。在儲能方面，能否考慮降低鈦酸鋰電池高功率的要求，只保留長壽命的特點，以此換來成本的降低。

一、首先，我們研究了鈦酸鋰電池的重構技術

以低成本亞微米鈦酸鋰材料取代納米鈦酸鋰材料，并以此為基礎建立儲能用鈦酸鋰電池材料體系。通過試驗，材料粒徑在0.8~1.3μm之間時，既能保證長壽命的特點，又能降低高功率的要求，降低加工工藝控制的苛刻條件，從而降低成本。還可以用性能、制造工藝、成本方面都具有優點的疊片式軟包裝結構取代環形結構和圓柱形結構。以上兩點是從材料和電池結構的重構來降低電池成本。

另一方面是電池加工工藝上的重構。在電極材料的勻漿環節，將常規攪拌工藝改為高粘度攪拌工藝；在電極制作環節，將進口預涂層集流體改為自主研發的預涂層集流體；在電池制作的環境控制環節，可將環境濕度由10%放寬到30%；在電池制作工序上，可以取消涂布前卷料烘干和注液前電芯烘干兩個烘干工序。以上針對勻漿、預涂層集流體、環境控制、電池制作工序等環節分別進行技術重構，降低電池成本。

二、鈦酸鋰儲能電池測評技術

圖中可以看出，鈦酸鋰的循環次數和容量保持率是大大好于磷酸鐵鋰電池。據我們的探測相關經驗來看，循環次數七八千次往日，國內的電池和國際上的電池差別不大，七八千次以后，國產電池的一致性上有差異。這些問題促使我們要改進評測技術。

鈦酸鋰電池快速評價試驗技術研究緊要有兩種辦法：基于加速老化試驗的快速評價技術研究和基于壽命預測模型的快速評價技術研究。

1、基于加速老化試驗的快速評價技術研究

加速老化評價的關鍵技術在于：對加速老化的動力學條件選擇和邊界條件進行確認，通過建立不同動力學條件下衰減特性之間的等效關系進行快速評價。

在試驗中，通過對電池在常規試驗和加速老化試驗條件下的定期表征，找尋不同條件下電池特性一致的等效點，建立等效點之間的函數關系（y2=f(y1)）,從而以加速試驗條件的數據對常規1C、23℃試驗條件下的數據進行預測和估算。

通過在不同倍率、不同溫度下進行等效試驗的快速評價辦法所用的時間進行比較可以看出，等效試驗最多可以節省一半的時間，但這時間也比較長。用加速的辦法進行快速評價還是不太理想。于是我們考慮用壽命預測模型的辦法進行快速評價。

2、基于壽命預測模型的快速評價技術研究

壽命預測模型有三種辦法：

（1）直線外推法：使用較為普遍，辦法簡單但不考慮電池的電化學非線性衰退特點。

該辦法以1000次循環實測數據，針對3000次循環以內的容量預測較為準確，由于未考慮循環過程中電化學極化等因素造成的非線性衰退等因素，長期循環預測的準確度較差，呈分明的離散趨勢。

（2）全壽命周期擬合法：要全壽命周期實測數據進行擬合，往往僅針對一款電池有效。

該辦法以1000次循環實測數據，在前3000次循環擬合較為準確，之后的偏差率較大，緊要原由是不同電池之間差異性造成性能衰退趨勢不同。

（3）電化學模型擬合法：考慮電化學極化等因素，輔以實測數據修訂。

該辦法以1000次循環實測數據，在5000次循環周期內，預測偏差率較小，這種辦法是可取的。

總體來說，基于試驗等效的快速評價辦法周期相對較長，如以5000次作為循環壽命預測目標，最多只能縮短原先時間的50%左右。電化學模型擬合法由于僅需1000次循環實測數據作為模型基準數據或修正數據，因此如以5000次作為循環壽命預測目標，能縮短原先的時間的80%。

將來，要探索更加細致的加速老化邊界條件，同時將快速評價辦法拓展到不同廠家的鈦酸鋰電池，或其他類型的儲能電池。鈦酸鋰電池壽命受日歷時間影響較大，接下來要尋找日歷時間與加速老化的關系。對現有的電化學模型進行優化，與將來更細化的邊界條件結合，提高鋰離子儲能電池快速評價精度，進一步完善測試辦法和規范，對標準進行修編。

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