儲能系統(tǒng)的發(fā)展及應用

胡曉羽　陸宇　曹碧穎

摘 要 隨著環(huán)境污染問題的日益加劇，儲能技術(shù)的發(fā)展已成為解決環(huán)境污染的重要手段。“儲能”已被列入我國“十二五”發(fā)展規(guī)劃綱要，上海電氣集團也將“儲能技術(shù)”列入“集團十五年科技發(fā)展規(guī)劃”的重點發(fā)展領域。上海電氣中央研究院結(jié)合集團要求和自身實際情況自主研發(fā)了基于鋰離子電池的100 kW儲能系統(tǒng)。

關鍵詞 儲能技術(shù)；鋰離子電池；新能源

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）16-0015-02

“儲能“已被列入我國“十二五”發(fā)展規(guī)劃綱要，上海電氣集團也將“儲能技術(shù)”列入“集團十五年科技發(fā)展規(guī)劃”的重點發(fā)展領域。集團一期投資3000萬元開展鋰離子儲能技術(shù)研究。2012年5月，“上海電氣—復旦儲能電池與關鍵材料聯(lián)合實驗室”正式成立，致力于開發(fā)低成本、長壽命的儲能鋰離子電池及其關鍵材料技術(shù)。聯(lián)合實驗室擁有一整套完善的材料制備及表征、電池組裝及電化學性能測試等設備，并建立了30多人的研發(fā)團隊，其中中央研究院團隊游博士8人，碩士12人，形成了一流的儲能鋰離子電池及其關鍵材料技術(shù)的研發(fā)能力。自聯(lián)合實驗室成立以來，研發(fā)團隊圍繞著“低成本、長壽命儲能鋰離子電池”這一目標，展開了一系列卓有成效的研究工作，在碳包覆鈦酸鋰負極材料、改性錳酸鋰正極材料、高電壓型正極材料以及單體電池一致性制備工藝等方面取得了多項科研成果。

1 儲能的意義

近幾年國內(nèi)外儲能鋰電池示范應用發(fā)展迅速，國內(nèi)MW級的鋰電池儲能系統(tǒng)應用走在其他儲能電池之前；鋰電池的產(chǎn)業(yè)鏈相對較成熟，上下游產(chǎn)業(yè)配套完善，成本下降空間較大；采用儲能技術(shù)可改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量，加大可再生能源利用，是建設智能電網(wǎng)的關鍵技術(shù)。

新一代鋰電池材料發(fā)展迅速，材料和電池技術(shù)水平提升空間較大；鋰電池在儲能方面的應用有望占領先機，選擇低成本、長壽命、高容量的材料體系是儲能鋰電池發(fā)展的關鍵[1，2]。

2 儲能鋰電池模塊及系統(tǒng)

儲能鋰離子電池系統(tǒng)包括電池組、BMS、EMS、和PCS等部分組成。其核心技術(shù)包括：電池組串并聯(lián)結(jié)構(gòu)設計、電池組熱場分布和散熱方式設計、電池組的結(jié)構(gòu)安全保護設計，以及電池充放電異常管理、SOC評估、電池健康狀態(tài)監(jiān)控、電池均衡管理和熱管理等技術(shù)，如圖1所示。

設計和制備20Ah軟包裝鋰離子電池，通過改進正負極漿料配方和配料工藝、涂布工藝，優(yōu)選和改善電解液性能，改善電池化成工藝，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電池制備工藝。

2.2 單體電池材料

1）改性隔膜材料。鋰離子電池隔膜被認為是電池的“第三極”，其品質(zhì)直接影響著電池性能。目前應用最廣泛的隔膜材料是單層或者多層的薄型（10-40 μm）微多孔聚烯涇材料（圖2），他們具有優(yōu)良的力學性質(zhì)、化學穩(wěn)定性和相容性。為了進一步提高其性能，對隔膜進行改性是重要的發(fā)展方向。

如圖2所示，在微多孔聚烯涇膜的兩面涂覆數(shù)μm厚的金屬氧化物陶瓷層，不僅可以提高隔膜的機械強度，還可以避免因隔膜破裂所導致的電池內(nèi)短路，從而提高電池的安全性。

2）富鋰正極材料。近年來，高容量和穩(wěn)定性較好的富鋰材料越來越受到人們的關注，聯(lián)合實驗室通過溶膠—凝膠法合成出層狀富鋰材料，該材料電壓區(qū)間位2.0-4.8 V，容量大于250 mAh/g，有望成為未來理想的正極材料。

3）錳酸鋰正極材料。采用獨特的高溫固相燒結(jié)法，通過優(yōu)化燒結(jié)工藝和元素摻雜，穩(wěn)定其結(jié)構(gòu)和減少Mn的溶出，制備出低成本、高安全性、良好高溫特性的錳酸鋰正極材料。

4）硅碳負極材料。以有機碳源對納米二氧化硅進行了碳包覆，既能提高顆粒之間的電子電導率，又能限制充放電過程中的體積膨脹，形成的Li2O充當惰性介質(zhì)將Si均勻地分散，讓材料獲得更高的比容量和良好的循環(huán)性能。

5）高性能電解液。電解液作為對電池的性能和穩(wěn)定性起到至關重要的作用。電解液需要與電池體系的特點相適應，然而，針對一些新型材料，與之匹配的電解液技術(shù)還相對滯后。因此，聯(lián)合實驗室將電解液作為儲能鋰離子電池技術(shù)的一項重要支撐技術(shù)進行深入研究。

3 總結(jié)與展望

儲能鋰電池綜合實驗室致力于研究和開發(fā)先進儲能電池技術(shù)及其關鍵材料技術(shù)，在積極推進儲能鋰離子電池實用化的同時，著眼于國際前沿的先進材料技術(shù)，通過研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的有機結(jié)合，推動儲能鋰離子電池技術(shù)的快速發(fā)展。

實驗室圍繞集團儲能技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略，不斷加強研發(fā)能力建設，為上海電氣集團發(fā)展電化學儲能提供技術(shù)支持，成為集團電化學儲能人才及知識產(chǎn)權(quán)的蓄水池，為集團發(fā)展智能電網(wǎng)、新能源發(fā)電以及節(jié)能減排產(chǎn)業(yè)作出貢獻。

實驗室將朝著以下方向發(fā)展：以實驗室建設為手段，促進核心技術(shù)發(fā)展；以團隊建設為支撐，加快自主研發(fā)進程；以儲能示范工程為抓手，加快系統(tǒng)集成能力建設；成為儲能電池和儲能系統(tǒng)最佳解決方案的提供者。

參考文獻

[1]張文亮，丘明，來小康.儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（7）：1-9.

[2]程時杰，文勁宇，孫海順.儲能技術(shù)及其在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的應用[J].電氣應用，2005，24（4）：1-8.endprint

摘 要 隨著環(huán)境污染問題的日益加劇，儲能技術(shù)的發(fā)展已成為解決環(huán)境污染的重要手段?！皟δ堋币驯涣腥胛覈笆濉卑l(fā)展規(guī)劃綱要，上海電氣集團也將“儲能技術(shù)”列入“集團十五年科技發(fā)展規(guī)劃”的重點發(fā)展領域。上海電氣中央研究院結(jié)合集團要求和自身實際情況自主研發(fā)了基于鋰離子電池的100 kW儲能系統(tǒng)。

關鍵詞 儲能技術(shù)；鋰離子電池；新能源

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）16-0015-02

“儲能“已被列入我國“十二五”發(fā)展規(guī)劃綱要，上海電氣集團也將“儲能技術(shù)”列入“集團十五年科技發(fā)展規(guī)劃”的重點發(fā)展領域。集團一期投資3000萬元開展鋰離子儲能技術(shù)研究。2012年5月，“上海電氣—復旦儲能電池與關鍵材料聯(lián)合實驗室”正式成立，致力于開發(fā)低成本、長壽命的儲能鋰離子電池及其關鍵材料技術(shù)。聯(lián)合實驗室擁有一整套完善的材料制備及表征、電池組裝及電化學性能測試等設備，并建立了30多人的研發(fā)團隊，其中中央研究院團隊游博士8人，碩士12人，形成了一流的儲能鋰離子電池及其關鍵材料技術(shù)的研發(fā)能力。自聯(lián)合實驗室成立以來，研發(fā)團隊圍繞著“低成本、長壽命儲能鋰離子電池”這一目標，展開了一系列卓有成效的研究工作，在碳包覆鈦酸鋰負極材料、改性錳酸鋰正極材料、高電壓型正極材料以及單體電池一致性制備工藝等方面取得了多項科研成果。

1 儲能的意義

近幾年國內(nèi)外儲能鋰電池示范應用發(fā)展迅速，國內(nèi)MW級的鋰電池儲能系統(tǒng)應用走在其他儲能電池之前；鋰電池的產(chǎn)業(yè)鏈相對較成熟，上下游產(chǎn)業(yè)配套完善，成本下降空間較大；采用儲能技術(shù)可改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量，加大可再生能源利用，是建設智能電網(wǎng)的關鍵技術(shù)。

新一代鋰電池材料發(fā)展迅速，材料和電池技術(shù)水平提升空間較大；鋰電池在儲能方面的應用有望占領先機，選擇低成本、長壽命、高容量的材料體系是儲能鋰電池發(fā)展的關鍵[1，2]。

2 儲能鋰電池模塊及系統(tǒng)

儲能鋰離子電池系統(tǒng)包括電池組、BMS、EMS、和PCS等部分組成。其核心技術(shù)包括：電池組串并聯(lián)結(jié)構(gòu)設計、電池組熱場分布和散熱方式設計、電池組的結(jié)構(gòu)安全保護設計，以及電池充放電異常管理、SOC評估、電池健康狀態(tài)監(jiān)控、電池均衡管理和熱管理等技術(shù)，如圖1所示。

設計和制備20Ah軟包裝鋰離子電池，通過改進正負極漿料配方和配料工藝、涂布工藝，優(yōu)選和改善電解液性能，改善電池化成工藝，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電池制備工藝。

2.2 單體電池材料

1）改性隔膜材料。鋰離子電池隔膜被認為是電池的“第三極”，其品質(zhì)直接影響著電池性能。目前應用最廣泛的隔膜材料是單層或者多層的薄型（10-40 μm）微多孔聚烯涇材料（圖2），他們具有優(yōu)良的力學性質(zhì)、化學穩(wěn)定性和相容性。為了進一步提高其性能，對隔膜進行改性是重要的發(fā)展方向。

如圖2所示，在微多孔聚烯涇膜的兩面涂覆數(shù)μm厚的金屬氧化物陶瓷層，不僅可以提高隔膜的機械強度，還可以避免因隔膜破裂所導致的電池內(nèi)短路，從而提高電池的安全性。

2）富鋰正極材料。近年來，高容量和穩(wěn)定性較好的富鋰材料越來越受到人們的關注，聯(lián)合實驗室通過溶膠—凝膠法合成出層狀富鋰材料，該材料電壓區(qū)間位2.0-4.8 V，容量大于250 mAh/g，有望成為未來理想的正極材料。

3）錳酸鋰正極材料。采用獨特的高溫固相燒結(jié)法，通過優(yōu)化燒結(jié)工藝和元素摻雜，穩(wěn)定其結(jié)構(gòu)和減少Mn的溶出，制備出低成本、高安全性、良好高溫特性的錳酸鋰正極材料。

4）硅碳負極材料。以有機碳源對納米二氧化硅進行了碳包覆，既能提高顆粒之間的電子電導率，又能限制充放電過程中的體積膨脹，形成的Li2O充當惰性介質(zhì)將Si均勻地分散，讓材料獲得更高的比容量和良好的循環(huán)性能。

5）高性能電解液。電解液作為對電池的性能和穩(wěn)定性起到至關重要的作用。電解液需要與電池體系的特點相適應，然而，針對一些新型材料，與之匹配的電解液技術(shù)還相對滯后。因此，聯(lián)合實驗室將電解液作為儲能鋰離子電池技術(shù)的一項重要支撐技術(shù)進行深入研究。

3 總結(jié)與展望

儲能鋰電池綜合實驗室致力于研究和開發(fā)先進儲能電池技術(shù)及其關鍵材料技術(shù)，在積極推進儲能鋰離子電池實用化的同時，著眼于國際前沿的先進材料技術(shù)，通過研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的有機結(jié)合，推動儲能鋰離子電池技術(shù)的快速發(fā)展。

實驗室圍繞集團儲能技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略，不斷加強研發(fā)能力建設，為上海電氣集團發(fā)展電化學儲能提供技術(shù)支持，成為集團電化學儲能人才及知識產(chǎn)權(quán)的蓄水池，為集團發(fā)展智能電網(wǎng)、新能源發(fā)電以及節(jié)能減排產(chǎn)業(yè)作出貢獻。

實驗室將朝著以下方向發(fā)展：以實驗室建設為手段，促進核心技術(shù)發(fā)展；以團隊建設為支撐，加快自主研發(fā)進程；以儲能示范工程為抓手，加快系統(tǒng)集成能力建設；成為儲能電池和儲能系統(tǒng)最佳解決方案的提供者。

參考文獻

[1]張文亮，丘明，來小康.儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（7）：1-9.

[2]程時杰，文勁宇，孫海順.儲能技術(shù)及其在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的應用[J].電氣應用，2005，24（4）：1-8.endprint

摘 要 隨著環(huán)境污染問題的日益加劇，儲能技術(shù)的發(fā)展已成為解決環(huán)境污染的重要手段?！皟δ堋币驯涣腥胛覈笆濉卑l(fā)展規(guī)劃綱要，上海電氣集團也將“儲能技術(shù)”列入“集團十五年科技發(fā)展規(guī)劃”的重點發(fā)展領域。上海電氣中央研究院結(jié)合集團要求和自身實際情況自主研發(fā)了基于鋰離子電池的100 kW儲能系統(tǒng)。

關鍵詞 儲能技術(shù)；鋰離子電池；新能源

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）16-0015-02

“儲能“已被列入我國“十二五”發(fā)展規(guī)劃綱要，上海電氣集團也將“儲能技術(shù)”列入“集團十五年科技發(fā)展規(guī)劃”的重點發(fā)展領域。集團一期投資3000萬元開展鋰離子儲能技術(shù)研究。2012年5月，“上海電氣—復旦儲能電池與關鍵材料聯(lián)合實驗室”正式成立，致力于開發(fā)低成本、長壽命的儲能鋰離子電池及其關鍵材料技術(shù)。聯(lián)合實驗室擁有一整套完善的材料制備及表征、電池組裝及電化學性能測試等設備，并建立了30多人的研發(fā)團隊，其中中央研究院團隊游博士8人，碩士12人，形成了一流的儲能鋰離子電池及其關鍵材料技術(shù)的研發(fā)能力。自聯(lián)合實驗室成立以來，研發(fā)團隊圍繞著“低成本、長壽命儲能鋰離子電池”這一目標，展開了一系列卓有成效的研究工作，在碳包覆鈦酸鋰負極材料、改性錳酸鋰正極材料、高電壓型正極材料以及單體電池一致性制備工藝等方面取得了多項科研成果。

1 儲能的意義

近幾年國內(nèi)外儲能鋰電池示范應用發(fā)展迅速，國內(nèi)MW級的鋰電池儲能系統(tǒng)應用走在其他儲能電池之前；鋰電池的產(chǎn)業(yè)鏈相對較成熟，上下游產(chǎn)業(yè)配套完善，成本下降空間較大；采用儲能技術(shù)可改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量，加大可再生能源利用，是建設智能電網(wǎng)的關鍵技術(shù)。

新一代鋰電池材料發(fā)展迅速，材料和電池技術(shù)水平提升空間較大；鋰電池在儲能方面的應用有望占領先機，選擇低成本、長壽命、高容量的材料體系是儲能鋰電池發(fā)展的關鍵[1，2]。

2 儲能鋰電池模塊及系統(tǒng)

儲能鋰離子電池系統(tǒng)包括電池組、BMS、EMS、和PCS等部分組成。其核心技術(shù)包括：電池組串并聯(lián)結(jié)構(gòu)設計、電池組熱場分布和散熱方式設計、電池組的結(jié)構(gòu)安全保護設計，以及電池充放電異常管理、SOC評估、電池健康狀態(tài)監(jiān)控、電池均衡管理和熱管理等技術(shù)，如圖1所示。

設計和制備20Ah軟包裝鋰離子電池，通過改進正負極漿料配方和配料工藝、涂布工藝，優(yōu)選和改善電解液性能，改善電池化成工藝，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電池制備工藝。

2.2 單體電池材料

1）改性隔膜材料。鋰離子電池隔膜被認為是電池的“第三極”，其品質(zhì)直接影響著電池性能。目前應用最廣泛的隔膜材料是單層或者多層的薄型（10-40 μm）微多孔聚烯涇材料（圖2），他們具有優(yōu)良的力學性質(zhì)、化學穩(wěn)定性和相容性。為了進一步提高其性能，對隔膜進行改性是重要的發(fā)展方向。

如圖2所示，在微多孔聚烯涇膜的兩面涂覆數(shù)μm厚的金屬氧化物陶瓷層，不僅可以提高隔膜的機械強度，還可以避免因隔膜破裂所導致的電池內(nèi)短路，從而提高電池的安全性。

2）富鋰正極材料。近年來，高容量和穩(wěn)定性較好的富鋰材料越來越受到人們的關注，聯(lián)合實驗室通過溶膠—凝膠法合成出層狀富鋰材料，該材料電壓區(qū)間位2.0-4.8 V，容量大于250 mAh/g，有望成為未來理想的正極材料。

3）錳酸鋰正極材料。采用獨特的高溫固相燒結(jié)法，通過優(yōu)化燒結(jié)工藝和元素摻雜，穩(wěn)定其結(jié)構(gòu)和減少Mn的溶出，制備出低成本、高安全性、良好高溫特性的錳酸鋰正極材料。

4）硅碳負極材料。以有機碳源對納米二氧化硅進行了碳包覆，既能提高顆粒之間的電子電導率，又能限制充放電過程中的體積膨脹，形成的Li2O充當惰性介質(zhì)將Si均勻地分散，讓材料獲得更高的比容量和良好的循環(huán)性能。

5）高性能電解液。電解液作為對電池的性能和穩(wěn)定性起到至關重要的作用。電解液需要與電池體系的特點相適應，然而，針對一些新型材料，與之匹配的電解液技術(shù)還相對滯后。因此，聯(lián)合實驗室將電解液作為儲能鋰離子電池技術(shù)的一項重要支撐技術(shù)進行深入研究。

3 總結(jié)與展望

儲能鋰電池綜合實驗室致力于研究和開發(fā)先進儲能電池技術(shù)及其關鍵材料技術(shù)，在積極推進儲能鋰離子電池實用化的同時，著眼于國際前沿的先進材料技術(shù)，通過研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的有機結(jié)合，推動儲能鋰離子電池技術(shù)的快速發(fā)展。

實驗室圍繞集團儲能技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略，不斷加強研發(fā)能力建設，為上海電氣集團發(fā)展電化學儲能提供技術(shù)支持，成為集團電化學儲能人才及知識產(chǎn)權(quán)的蓄水池，為集團發(fā)展智能電網(wǎng)、新能源發(fā)電以及節(jié)能減排產(chǎn)業(yè)作出貢獻。

實驗室將朝著以下方向發(fā)展：以實驗室建設為手段，促進核心技術(shù)發(fā)展；以團隊建設為支撐，加快自主研發(fā)進程；以儲能示范工程為抓手，加快系統(tǒng)集成能力建設；成為儲能電池和儲能系統(tǒng)最佳解決方案的提供者。

參考文獻

[1]張文亮，丘明，來小康.儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（7）：1-9.

[2]程時杰，文勁宇，孫海順.儲能技術(shù)及其在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的應用[J].電氣應用，2005，24（4）：1-8.endprint