锂电池储能特性及关键技术研究

锂电池储能特性及关键技术研究

王飞飞

深圳古瑞瓦特新能源有限公司广东省深圳市518100

摘要：与水电和火电相比，风能和太阳能的最大弱点是具有间歇性且不稳定，无法与用户需求节奏同步，给电网的长期稳定运行带来极大挑战。要想彻底解决这一问题，唯一办法就是利用储能系统。除了发电侧，储能系统在用户侧也可以发挥增容扛峰、节能电费、提升系统安全性等作用。因此，无论全球还是中国，储能系统的市场规模都在快速增长，而锂电储能则成为市场主流。在能量密度、系统安全性等方面的技术进步，使得锂电池在储能方案中得到广泛应用，但仍有进一步技术创新的很大空间。

关键词：锂电池；储能特性；关键技术；应用场景

无论全球还是中国，储能系统的市场规模都在快速增长，而锂电储能则成为市场主流。在能量密度、系统安全性等方面的技术进步，使得锂电池在储能方案中得到广泛应用，但仍有进一步技术创新的很大空间。要实现碳达峰和碳中和的“双碳”目标，用户侧的电气化和发电侧的清洁化是大势所趋，因此风能、太阳能等清洁能源的占比将大幅度提升。本研究主要探讨锂电池的储能特性和相关关键技术。

1. 锂电池储能特性

现代社会的发展对电子产品依赖度非常高，小到耳机，大到通信基站，这些都需要锂电池的加持，锂电池储能特性主要包括：（1）能量密度较高。锂电池高储能密度能够达到500-600wh/kg，通常是铅酸蓄电池的7倍左右；（2）使用寿命长。使用寿命六年以上，以磷酸铁锂电池为负极对电池进行充放电，使用时间纪录可使用10000小时。汽车一般选择锂电池，因为锂电能比较大，循环系统寿命长，无记忆。汽车锂离子电池充电有两种关键方法，随机充电和全周期充电[1]；（3）高附加电压。(单标准电压)基本上相当于三节镍镉或镍氢充电电池的串联电压，很容易形成电池组。通常锂电池正极材料主要包括锂铁磷酸盐、锂钴、三元材料等，磷酸铁锂电池也叫作磷酸铁锂锂离子电池。所以，电磁越薄，说明其具有越低的聚合物生产成本，其液体生产成本也就越高；（4）通常来说，纯电动汽车所用锂电池承载能力非常强，能够满足15-30c电池充放电能力；（5）低自放电率这是电池的优点，在这个阶段，一般每月1%，远低于25%的镍镉和30%的镍和mh。自节能和新能源汽车产业发展规划出台以来，政府补贴、税收减免等措施使我国新能源汽车产业链迅速发展，此外，考虑到整个产业链的合理布局和原材料在电力锂电池产业中的优势，新能源汽车市场一直处于世界前列。6.比同一体积铅酸蓄电池的净重约为1/5-1/6。从上游原材料到下游充电电池，与国内上市公司相关的锂电池前，有多少铅酸电池没有被打败?除了传统的数字化技术外，近年来新能源汽车等行业被锂离子占领，现已退役的锂离子电池抢夺铅酸电池销售市场生日蛋糕。7.高低温适用性，可用于-20c至60c范围，也可用于-45c范围。8.绿色和生态环境保护，即使是制造、应用或处理的，也不含有或造成有害的重金属元素和化学物质，如铅、镉。9.生产大部分不消耗水的，因此对缺水的很有利。

2. 锂电池储能关键技术

与水电和火电相比，风能和太阳能的最大弱点是具有间歇性且不稳定，无法与用户需求节奏同步，给电网的长期稳定运行带来极大挑战。要想彻底解决这一问题，唯一办法就是利用储能系统[2]。除了发电侧，储能系统在用户侧也可以发挥增容扛峰、节能电费、提升系统安全性等作用。

2.1储能锂电池应用场景

中国储能电池出货量保持高速增长势态，未来3年年均增长率超过50%。2021年中国储能电池出货量达到48GWh，同比增长167%，预计2022年装机量超过90GWh，同比增长88%，2025年将超过324GWh。

图1  2019-2025年中国储能锂电池出货量及预测（GWh）（来源：能源电力说公众号）

国内储能电池主要应用于大型储能（电力系统储能）、通信系统储能、家庭储能和便携式储能。大型储能是储能电池的主要应用场景，主要用于发电侧、电网侧及用户侧的储能集装系统，出货量占比达到61%，其次是通信系统储能，主要用于通信基站备电，占比达到25%，家庭储能产品主要出口国外。便携式储能占比最少，仅3%。

图2  2021年国内储能电池出货量结构

2.2锂电池材料关键技术

正极、负极、电解液、锂电铜箔、隔膜是锂电池主要直接材料。

图3  2015-2021年中国五大关键电池材料市场占比变化（来源：能源电力说）

（1）锂电池最主要的材料成本为正极材料，其所占比例在55%左右。锂离子电池一般会根据正极材料的差异性，划分成三元电池与磷酸铁锂电池，动力电池两者均有。现阶段，储能电池在国内几乎都属于磷酸铁锂电池；（2）负极材料占总成本在14%左右，其中包括人造石墨、天然石墨。其中人造石墨主要用于储能电池、动力电池，而天然石墨则主要用于消费电池；（3）电解液占总成本约13%，其主要成分为溶质、溶剂和添加剂。溶质包括LiPF6和新型锂盐LiFSI，是主要成本来源。溶剂以环状碳酸酯和链状碳酸酯为主，包括PC、EC、DMC、DEC和EMC等，添加剂主要用于成膜、过充保护、耐低温、阻燃、提升倍率等，常见产品包括VC、FEC、PS、LiBOB、DTD、LiDFOB等；（4）锂电铜箔为电解铜箔，所占成本大约为8%。锂电铜箔通常用于锂电负极集流体；（5）隔膜在锂电池总材料成本中所占比重为4%，具体分为干法隔膜与湿法隔膜。湿法隔膜以PE为主要成分，而干法隔膜则以PP为主要成分。

3. 锂电池储能产业机遇与模式创新

锂电储能系统需要的产品，不仅仅是锂电池，还包括很多相关产品、技术和方案。在其关联产品中，逆变器是最受关注的领域，成长速度很快。我们通常见到的变压器是改变交流电的电压，或者将交流电转换成直流电。而逆变器则相反，是将直流电转换成交流电。最常见的逆变器是安装在汽车点烟器上的，将蓄电池电能转换成家用电器使用的交流电。储能系统在放电时，也需要将直流电转换成交流电，这就需要逆变器来帮忙。逆变器包括集中式、组串式、微型和集散式等不同技术类型，其中组串式逆变器迎合了当下的分布式发展趋势，增速最快，整体市场占有率达到70%[3]。

随着锂电池往高电压、高镍化等方向发展，所需电解液配方，尤其是添加剂使用将越来越复杂，添加剂少量使用即可显著提升电解液性能，因此性价比很高，未来将是进一步提升企业竞争力、提高产品附加值的关键所在。

作者简介：王飞飞 1984 1013 男 汉簇 江西丰城市 储能系统及锂电池方向。

参考文献：

[1]马勇,谢昕怡,杜超本,王霞,田书圣,应黎明.电池储能参与一次调频辅助服务特性分析[J].武汉大学学报(工学版),2022,55(11):1149-1158.

[2]孔文俊,张艳森,汤效平,张伟阔.大容量储能锂电池电芯产热特性研究[J].发电技术,2022,43(05):801-809.

[3]叶林,王凯丰,赖业宁,陈浩,赵永宁,徐贤,路朋,金忆非.低惯量下电力系统频率特性分析及电池储能调频控制策略综述[J/OL].电网技术:1-19[2022-12-07].