新能源储能系统中的储能电池研究

新能源储能系统中的储能电池研究

陈茜

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摘要：随着经济发展，国家提倡环保节能。能源正在逐渐取代传统能源，成为新的能源龙头产业。大力推动新能源，是发展的需要，也是保护环境的重要举措。与传统电池相比，应用于新能源储能系统中的储能电池已开始向高科技方向发展，具有更长的使用寿命和储能效率，在技术上已达到了一个关键转折点，使新能源储能系统的发展和应用前景广阔。

关键词：新能源；储能系统；储能电池

引言

随着我国碳达峰、碳中和行动目标的提出，以光伏发电、风电为代表的新能源发电方式将在“十四五”期间扮演更为重要的角色。储能是有效降低新能源发电对电网冲击的重要手段，是促进新能源发电大规模应用与大规模并网的必要条件，发展前景广阔。本文对新能源电站中储能电池采用磷酸铁锂电池或三元锂电池的技术路线进行了对比分析，并对储能电池未来的发展方向及前景进行了预测。

1锂电池的基本原理

锂电池由正极、负极、电解质及隔膜组成。锂电池主要是通过锂离子在电池正、负极之间来回脱出、嵌入来实现充、放电。当对锂电池充电时，电池的正极上有锂离子脱出，脱出的锂离子经过电解液后迁移到负极，并嵌入到负极材料的间隙中；当锂电池放电时，嵌在负极材料中的锂离子脱出，迁移回正极。

2新能源电站中储能电池采用LFP电池与NCM电池的性能对比分析

2.1能量密度

电池的能量密度是指电池单位体积或单位质量所释放出的电能，其很大程度上是由电池的正、负极材料的性能决定的。NCM电池的质量能量密度约为LFP电池的1.5～1.8倍，但从具体的产品层面来看，由于各个公司的产品定位及安全考虑等不同，实际情况中2种电池的质量能量密度差距并没有那么大。比如，由表1可知，LFP电池的质量能量密度为155.8Wh/kg，仅略低于NCM电池的164.7Wh/kg。但在电芯容量相同的情况下，NCM电池会比LFP电池的占地面积减少15%，更节约用地，从而可降低储能电池的运输、安装等费用。

2.2充放电倍率

目前市场上主流的LFP电池的充放电倍率都在1C及以下，这主要是出于电池的性能和循环寿命考虑。而NCM电池的充放电倍率大多为1～2C，但出于安全性考虑，同家公司生产的充放电倍率为2C的NCM电池在质量能量密度、循环寿命等方面的性能通常都会比充放电倍率为1C及以下的NCM电池明显下降，有些NCM电池的质量能量密度甚至比LFP电池的低。

2.3循环寿命

在环境温度为25℃，充放电倍率为1C，电池剩余电量(EOL)为80%的条件下，电芯容量为260Ah的LFP电池的循环寿命为6000次；上述其他条件不变，EOL为60%的条件下，电芯容量为260Ah的LFP电池的循环寿命可达7000次以上。而在相同工况下，NCM电池的循环寿命仅约为LFP电池的1/2。这主要是因为LFP电池的放电电压平台平稳，充放电过程中无相变，而NCM电池的放电电压平台运行不平稳，充放电过程中存在相变，易造成其电芯容量衰减，缩短循环寿命。而在低充放电倍率(0.5C以下)时，NCM电池的循环寿命可以有明显提高，达到5000～6000次。

2.4安全性

锂电池中的热失控现象是一种电池放热过程中热量的链式积累，而后伴随电池温度升高，在产热强度和数量完全压制散热强度的情况下出现的爆炸和起火现象。在短路、局部高阻抗过热、挤压、穿刺、碰撞等条件下，NCM电池的极限温度极易达到200～300℃，会产生大量氧气，易着火。而LFP电池的热稳定性极好，在出现热失控现象时，其晶体结构中的氧是以磷氧四面体的结构存在，不会释放氧气，因此安全性大幅优于NCM电池。

3储能电池的主要类型

由于新能源在能源生产方面具有一定的随机性和差距性，使其发展受到限制，同时这两个原因也使得能源生产不稳定，无法持续工作实现高效发电。为了解决这一问题，可以运用储能电池，确保新能源的可靠性和安全性。同时，可以在能源消耗特别严重的时期释放储存的电力，以保障人们的用电需求，有效缓解高峰能耗对电力事业的影响。此外，应注意新能源的能源转换问题，为达到高效利用新能源的目的，需要更高的效率来储存或释放能量。储能系统装置还应考虑储能能力以及生产效果之间的转化关系问题。

3.1 锂离子电池

近年来，由于新型电池的不断发展，同时电解质和电极以及电池的发展水平也在不断提高，使锂离子电池受到广泛应用，并主要用于普通家用电器中。锂离子电池的优势主要体现在以下方面：首先，拥有较长的使用周期，可以重复多次使用。锂离子电池每次充电达到总存储能量的80%时，可连续循环使用约3000次。其次，拥有极高的储能密度，且储能转换效率高，几乎可以实现完全转化。但是，锂离子电池的安全隐患问题也显而易见，其安全系数相对较差，过长时间的充电极易引起短路，导致高温，甚至会引起电池爆炸。锂离子电池在电力系统能量转换过程中，具有非常高的转化效率，同时转化时长较短，可以有效节约能源转化成本，在解决电力系统内部能源储存问题的同时，可以确保电力系统平稳运作，是锂离子电池完全区别于普通电池的特质。

锂离子电池的储能原理如下：锂离子电池分别采用两种可逆嵌入和脱嵌锂离子化合物当作正负极所构成的二次电池。由于锂离子于正负极之中有相对较为固定的空间和位置，因此电池在实际进行充电和放电期间，具有良好的可逆性反应。除此之外，由于锂离子电池的种类较繁多，化学反应根据反应物的不同也存在一定的差异性。早年珠海建设的风-光-储500MW综合发电示范系统项目中的储能电池系统，采用了国内所研发的基本单元为2000Ah的钛酸锂储能电池。

3.2 铅酸蓄电池

近年来，铅酸蓄电池的使用频率呈上升趋势，影响其工作时长的因素较多，主要包括电池制造商的工厂技艺水平和产品质量，使用中的装载释电条件和温度等。铅酸蓄电池在使用过程中经常容易被损坏，主要表现在如下方面：第一，铅酸蓄电池存在严重的表面腐蚀现象，尤其表现在正极，这是由于在电解液中大部分都含有腐蚀性物质；第二，热量在铅酸蓄电池中难以得到有效控制，电池在使用过程中可能会散热较慢，产热速度比散热速度快，导致电池温度的异常升高，使电解液失水现象较为严重，进而影响其充电放电过程；第三，如果正极板和负极板的上边缘的硫酸含量不同，极有可能导致硫酸与底物进行反应，从而严重缩短电池使用寿命。

3.3 钠硫电池

熔融液型电极和固体电解质共同构成了钠硫电池。该电池正负两极分别为多硫化钠的熔融盐、熔融金属钠和熔融金属硫，使得钠硫电池可以在高温条件下工作。钠硫电池的最大优势是具有极高的能量转化率，可以用大功率进行放电和充电操作，这使钠硫电池拥有极短的充电时间和放电时间，具有明显优势。但是，当其对工作温度的要求较高，而且充电时必须保持一定的状态来保障远线度量获得更准确的平均值，还可能由于陶瓷破损而导致发生安全事故。

结语

每种蓄能电池的优缺点突出，对于不同的新能源发电系统，应据自身需求选择适合的储能电池。作为电力系统用户侧的备用电源、系统“黑启动”的电源，储能系统有提高系统可靠性和抵御自然灾害的能力。由于我国的能源中心和电力负荷中心距离跨度大，我国电力系统的发展始终是大电网、大电机的方向，运行模式采用集中输配电模式。随着可再生能源的飞速发展和社会对电能质量不断提出新要求，储能技术的应用前景广阔。

参考文献

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