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关于钛酸锂储能系统的应用与攻关成果分析

亚洲流体网 发布时间:2017/7/24 8:25:47 浏览次数:370243 来源:亚洲电机网编辑整理 我要投稿
【导读】 国家电网从2006年开始关注储能技术,当时电池的选择不多,我们重点技术攻关的项目是纳米电池和液硫电池。当时没有考虑用锂电池做储能,因为当时锂电池的循环寿命是2000~3000次,这在电网应用中就没什么价值
相关标签: 纳米电池液硫电池

国家电网从2006年开始关注储能技术,当时电池的选择不多,我们重点技术攻关的项目是纳米电池和液硫电池。当时没有考虑用锂电池做储能,因为当时锂电池的循环寿命是2000~3000次,这在电网应用中就没什么价值。两三千次的循环寿命,对电网来说就意味着电池在几年内就要全更换一次,锂电池不适合电网使用。到2009年,了解到钛酸锂电池的循环寿命可达上万次,当时觉得不可思议。后来用钛酸锂电池样品做测试,在循环1000多次的时候,容量没有衰减。经过这么多年对钛酸锂电池的研发、评价和应用,钛酸锂电池确实具有长寿命的特点。当然它也有很大的缺点,就是太贵。国家电网作为用户单位,一直努力寻找降低成本的方法。

钛酸锂电池功率可以做高,但为了追求高功率,就需要将材料纳米化,纳米化后生产加工等工序的工艺控制要求都很苛刻,从而成本提高。在储能方面,能否考虑降低钛酸锂电池高功率的要求,只保留长寿命的特点,以此换来成本的降低。

一、首先,我们研究了钛酸锂电池的重构技术。

以低成本亚微米钛酸锂材料取代纳米钛酸锂材料,并以此为基础建立储能用钛酸锂电池材料体系。通过实验,材料粒径在0.8~1.3μm之间时,既能保证长寿命的特点,又能降低高功率的要求,降低生产工艺控制的苛刻条件,从而降低成本。还可以用性能、制造工艺、成本方面都具有优势的叠片式软包装结构取代环形结构和圆柱形结构。以上两点是从材料和电池结构的重构来降低电池成本。

另一方面是电池生产工艺上的重构。在电极材料的匀浆环节,将常规搅拌工艺改为高粘度搅拌工艺;在电极制作环节,将进口预涂层集流体改为自主研发的预涂层集流体;在电池制作的环境控制环节,可将环境湿度由10%放宽到30%;在电池制作工序上,可以取消涂布前卷料烘干和注液前电芯烘干两个烘干工序。以上针对匀浆、预涂层集流体、环境控制、电池制作工序等环节分别进行技术重构,降低电池成本。

二、钛酸锂储能电池测评技术

图中可以看出,钛酸锂的循环次数和容量保持率是大大好于磷酸铁锂电池。据我们的测试经验来看,循环次数七八千次以前,国内的电池和国际上的电池区别不大,七八千次以后,国产电池的一致性上有差异。这些问题促使我们需要改进评测技术。

钛酸锂电池快速评价实验技术研究主要有两种方法:基于加速老化实验的快速评价技术研究和基于寿命预测模型的快速评价技术研究。

1、基于加速老化实验的快速评价技术研究

加速老化评价的关键技术在于:对加速老化的动力学条件选择和边界条件进行确认,通过建立不同动力学条件下衰减特性之间的等效关系进行快速评价。

在实验中,通过对电池在常规实验和加速老化实验条件下的定期表征,找寻不同条件下电池特性一致的等效点,建立等效点之间的函数关系(y2=f(y1)),从而以加速实验条件的数据对常规1C、23℃实验条件下的数据进行预测和估算。

通过在不同倍率、不同温度下进行等效实验的快速评价方法所用的时间进行对比可以看出,等效实验最多可以节省一半的时间,但这时间也比较长。用加速的方法进行快速评价还是不太理想。于是我们考虑用寿命预测模型的方法进行快速评价。

2、基于寿命预测模型的快速评价技术研究

寿命预测模型有三种方法:

(1)直线外推法:使用较为普遍,方法简单但不考虑电池的电化学非线性衰退特点。

该方法以1000次循环实测数据,针对3000次循环以内的容量预测较为准确,由于未考虑循环过程中电化学极化等因素造成的非线性衰退等因素,长期循环预测的准确度较差,呈明显的离散趋势。

(2)全寿命周期拟合法:需要全寿命周期实测数据进行拟合,往往仅针对一款电池有效。

该方法以1000次循环实测数据,在前3000次循环拟合较为准确,之后的偏差率较大,主要原因是不同电池之间差异性造成性能衰退趋势不同。

(3)电化学模型拟合法:考虑电化学极化等因素,辅以实测数据修订。

该方法以1000次循环实测数据,在5000次循环周期内,预测偏差率较小,这种方法是可取的。

总体来说,基于实验等效的快速评价方法周期相对较长,如以5000次作为循环寿命预测目标,最多只能缩短原先时间的50%左右。电化学模型拟合法由于仅需1000次循环实测数据作为模型基准数据或修正数据,因此如以5000次作为循环寿命预测目标,能缩短原先的时间的80%。

未来,需要探索更加细致的加速老化边界条件,同时将快速评价方法拓展到不同厂家的钛酸锂电池,或其他类型的储能电池。钛酸锂电池寿命受日历时间影响较大,接下来需要寻找日历时间与加速老化的关系。对现有的电化学模型进行优化,与未来更细化的边界条件结合,提高锂离子储能电池快速评价精度,进一步完善检测方法和规范,对标准进行修编。


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