软包锂离子电池在储能系统中的优势与挑战

软包锂离子电池在储能系统中的优势与挑战

祁春翔

捷威动力工业江苏有限公司 江苏 盐城 224007

摘要：本论文首先介绍了锂离子电池的原理、组成和在储能领域的应用概况。随后详细探讨了软包锂离子电池的优势，包括高能量密度和高容量特性、体积灵活性与设计多样性、安全性与环保性能，以及充放电效率和循环寿命。分析了软包锂离子电池面临的挑战，包括循环寿命和衰减问题、温度对性能的影响与热失控风险、安全性与事故风险，以及供应链和环境影响。

关键词：软包锂离子电池；储能系统；能量密度；循环寿命

1引言

2019年诺贝尔化学奖授予了“奠定了无线时代和摆脱化石燃料的基础”的锂电池领域的三位科学家。锂元素是化学元素周期表中原子量最小的金属元素。锂离子电池主要是由石墨负板、含锂的过渡金属氧化物正极和电解液组成。锂电池是在40多年前发现的，无处不在的锂离子电池为许多行业如手机、电动自行车、电动汽车、船、电力储能等提供了巨大发展潜力。储能作为能源互联网、电力系统中的重要组成部分，在能源结构转型、提高能源利用效率、提升电力系统安全性和实现双碳目标中逐渐体现多重价值。软包锂离子电池作为一种新型的电池包装形式，相较于传统的金属壳体电池，在储能系统中具备更多的优势。

2锂离子电池技术概述

2.1 锂离子电池原理

锂离子电池是一种以锂离子在正负极之间迁移来实现能量转换的电化学能量存储装置。其基本工作原理是在充放电过程中，锂离子在电极材料之间反复嵌入和脱嵌。典型的锂离子电池由正极、负极、隔膜和电解液组成[1]。

图1锂离子电池工作原理

在充电过程中，外部电源施加电压使得正极材料（通常为锰酸锂、钴酸锂等）中的锂离子脱嵌并向负极移动，同时负极材料（通常为石墨）中的锂离子嵌入。这样，在充电时正极释放出电子，而负极吸收电子，实现了电能的存储。当需要释放储存的电能时，电池处于放电状态，锂离子在电场作用下从负极向正极移动，电池的正负极电位差推动电子在外部电路中流动，从而实现电能的输出。

2.2 锂离子电池组成和工作原理

2.2.1 正极材料

正极材料是锂离子电池中的能量储存部分，决定了电池的电压和能量密度。常见的正极材料有锰酸锂（LiMn2O4）、钴酸锂（LiCoO2）、磷酸铁锂（LiFePO4）等[2]。

2.2.2 负极材料

负极材料是锂离子的嵌入和脱出部分，一般采用石墨材料，能够稳定地嵌入和释放锂离子。

2.2.3 隔膜

隔膜位于正负极之间，起到隔离二者的作用，防止直接电子短路，并允许锂离子在电池两端之间移动。

2.2.4 电解液

电解液通常是由锂盐溶解在有机溶剂中形成的，它充当了锂离子传输的介质。

2.2.5 集流体

集流体是连接电池正负极的导电部件，将电池的电能输出到外部电路。

图2锂离子电池组成

2.3 锂离子电池在储能领域的应用概况

锂离子电池在储能领域的主要应用见表1。

表1锂离子电池在储能领域的应用

3软包锂离子电池的优势

3.1 高能量密度和高容量特性

软包锂离子电池相较于传统金属壳体电池，具备更高的能量密度和容量特性，这使得软包电池在储能领域中表现出显著的优势。由于软包电池的包装材料更加轻薄灵活，因此可以将更多的电化学活性物质装入电池中，从而提高电池单位体积或质量所储存的能量。这对于储能系统来说，意味着可以在有限的空间内存储更多的电能，实现更高的能源密度，从而降低储能系统的体积和重量，提高系统的能源利用效率。

3.2 体积灵活性与设计多样性

软包锂离子电池采用柔性包装材料，相较于传统金属壳体电池，更具有体积灵活性。传统金属壳体电池通常采用规则的矩形或圆柱形状，难以根据不同应用场景进行定制化设计。而软包电池可以根据需要裁剪成各种形状和尺寸，适应不同储能系统的设计要求。这种灵活性为储能系统的集成与组装提供了更多选择，使得储能系统的设计更加灵活多样化。

3.3 安全性与环保性能

软包锂离子电池在安全性和环保性能方面也具备一定优势。传统金属壳体电池由于外壳刚性较强，一旦电池内部发生膨胀或过热，容易导致外壳破裂，引发严重安全问题。相比之下，软包电池采用柔性包装材料，对于内部膨胀有一定的缓冲能力，因此在一定程度上提高了电池的安全性。此外，软包电池生产过程中消耗的资源更少，且包装材料更易于回收，使其在环保性能方面表现出优势。

3.4 充放电效率和循环寿命

软包锂离子电池具有良好的充放电效率和循环寿命。软包电池的包装材料较薄，热传导性较好，因此在充放电过程中，热量可以更快地传导出去，减少了电池过热的风险，提高了充放电效率。此外，软包电池的柔性包装材料也有助于缓解电池在充放电过程中的应力，延长了电池的使用寿命。这使得软包电池在储能系统中具有更长的循环寿命，减少了电池更换和维护成本。

4软包锂离子电池在储能系统中的应用

4.1 家庭储能系统

家庭储能系统是指将可再生能源（如太阳能、风能等）通过光伏或风力发电设备收集，将多余的电能储存起来，以供家庭用电时使用。软包锂离子电池由于其高能量密度、高容量特性和较长的循环寿命，成为家庭储能系统的理想选择。在光伏发电时，软包锂离子电池可以将多余的电能储存起来，当太阳能不足或在夜间时，电池会释放储存的能量，满足家庭用电需求。通过家庭储能系统的应用，家庭能够实现更高程度的自给自足，减少对传统电网的依赖，降低用电成本，同时也对环境产生更小的影响。

4.2 商业与工业领域中的应用

在商业和工业领域，储能系统对于平衡电力需求和提高能源利用效率具有重要意义。软包锂离子电池由于其高能量密度、快速响应特性和循环寿命长，被广泛应用于商业和工业储能系统。例如，在电力需求较大且波动性较大的工业生产过程中，储能系统可以通过在低负荷时段储存电能，然后在高负荷时段释放电能，以平衡用电需求，降低用电峰谷差，节约电力成本。此外，储能系统还可以提供备用电源，保障关键设备在突发停电时的正常运行，提高工业生产的稳定性和可靠性。

4.3 风电和太阳能等可再生能源场景中的应用

风电和太阳能等可再生能源具有间歇性和波动性，其发电能力受天气等因素影响较大。因此，储能系统在这些可再生能源场景中具有重要作用。软包锂离子电池作为高效能量存储技术，能够快速响应并高效地储存和释放电能，因此被广泛用于风电和太阳能场景的储能系统中。储能系统可以将多余的可再生能源储存起来，以便在能源供应不足时进行释放，平衡电力供需，提高可再生能源的利用率，并减少对传统化石能源的依赖，从而促进可持续能源发展。

4.4 基础设施与微电网中的应用

在基础设施和微电网中，电力供应的可靠性和稳定性对于社会运行和居民生活至关重要。软包锂离子电池可以作为微电网和基础设施中的重要组成部分，为电力系统提供稳定的备用电源。在微电网中，储能系统能够储存多余的电能，并在紧急情况下提供应急电源，保障基础设施运行的连续性。而在离岛地区等基础设施中，软包锂离子电池可以与其他可再生能源设备结合，形成独立的微型电网，降低对传统电网的依赖，并为当地居民提供稳定可靠的电力供应。

5软包锂离子电池面临的挑战

5.1 循环寿命和衰减问题

循环寿命是指电池在充放电过程中可以进行的循环次数，是评估电池寿命的重要指标。虽然软包锂离子电池具有相对较长的循环寿命，但随着循环次数的增加，电池会逐渐衰减。这主要是因为在充放电过程中，电池内部的电解液、电极材料等会发生微小的结构变化和化学反应，导致电极的体积膨胀和收缩，进而影响电池的性能。衰减问题限制了电池在储能系统中的长期稳定运行，需要通过优化电池的设计和材料选择，以及合理的充放电策略来延长电池的循环寿命。

5.2 温度对性能的影响与热失控风险

温度是影响锂离子电池性能和安全性的重要因素。过高或过低的温度都会对电池的性能产生不利影响。在高温环境下，电池的自放电率增加，充放电效率降低，循环寿命缩短，甚至可能导致电池热失控，引发火灾或爆炸等严重事故。而在低温环境下，电池的活性物质迁移速率减缓，电池的放电容量下降，电池内部可能出现结冰现象，影响电池的正常工作。因此，锂离子电池需要在设计和运行中采取措施来控制温度，如添加热管理系统、合理设计电池包装结构等，以确保电池在各种环境下的安全性和稳定性。

5.3 安全性与事故风险

锂离子电池的安全性一直是受到关注的问题。软包锂离子电池由于采用柔性包装材料，一旦电池内部发生膨胀或过热，包装材料可能无法有效地抑制电池膨胀和气体释放，导致外壳破裂，可能引发电池热失控、火灾、甚至爆炸等严重事故。此外，由于电池内部含有易燃的有机电解液，一旦发生事故，可能造成严重的安全后果。因此，软包锂离子电池的安全性需要加以重视，并采取有效的措施来减少事故风险，如添加安全保护机制、优化电池的设计和制造工艺等。

5.4 供应链和环境影响

锂离子电池的生产涉及大量的稀有金属和有毒化学物质，如锂、钴、镍、石墨等。随着电动汽车、储能系统等应用的快速发展，对这些稀有资源的需求也在不断增加。然而，目前供应链中的一些问题，如资源供应不稳定、资源价格波动、产业垄断等，可能会对电池生产造成影响，进而影响电池的成本和稳定性。此外，电池生产过程中产生的废水和废气等污染物也会对环境产生影响。因此，为了保障电池产业的可持续发展，需要加强供应链管理和环保措施，推动电池产业的绿色化和可持续发展。

6结论

（1）对锂离子电池的循环寿命和衰减问题进行研究是至关重要的。通过优化电池设计、改进电极材料和电解液等，可以延长电池的循环寿命，提高电池的稳定性和耐久性。同时，开展更深入的研究，探索新型材料和技术的应用，如硅基负极材料、固态电池技术等，以进一步提升电池性能。

（2）加强对温度对电池性能的影响和热失控风险的研究，实施有效的热管理措施，是确保软包锂离子电池安全性的重要途径。采用高效的热传导材料和热散热结构，控制电池运行温度在安全范围内，减少温度对电池性能和寿命的影响。

（4）强化软包锂离子电池的安全性和事故风险管理。通过在电池内部添加安全保护机制，如过充保护、过放保护和过温保护等，提高电池的安全性能。加强电池的监测和故障诊断技术，及时发现和处理电池的异常情况，以避免严重的事故发生。

参考文献

[1]张静. 浅谈储能发展的今昔与未来[J].中国电器工业,2019(1):48-49.

[2]张金龙,佟微,漆汉宏. 电池发展浅谈[J].电源技术,2017,41(9):1377-1379.

1