2023年中国储能技术研究进展

本文对2023年度中国储能技术的研究进展进行了综述。通过对基础研究、关键技术和集成示范三方面的回顾和分析,在综合分析的基础上,总结得出了中国储能技术领域的主要进展,包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、铅蓄电池、锂离子电池、液流电池、钠离子电池、超级电容器、储能新技术、集成技术和消防安全技术等。结果表明,2023年中国储能技术在基础研究、关键技术和集成示范方面均取得了重要进展,保持了全球基础研究、技术研发和集成示范最为活跃的国家地位,中国在储能领域发表SCI论文数、申请专利数、装机规模继续保持世界第一。展望2024年,中国储能技术有望继续高速发展,同时总体上需要向高质量发展转变。

高性能磷酸铁锂电池补锂技术及机制

本工作采用正极磷酸铁锂(LiFePO_(4),LFP)搭配高容量石墨掺硅负极体系,以商业化富锂镍酸锂(Li_(2)NiO_(2),LNO)作为正极补锂添加剂,探究补锂技术对磷酸铁锂电池性能的影响及作用机制。通过对LNO的电化学性能、脱锂前后的结构组成与微观形貌变化进行测试与分析,发现LNO的不可逆容量可达212.1 mAh/g,而且脱锂后的LNO主要以仍具活性的Li_(0.63)Ni_(1.02)O_(2)形式存在。然后,将一定量的LNO添加至LFP正极浆料中制作成32 Ah软包电池,并进行容量、倍率、电化学阻抗和循环寿命等性能的测试与研究。结果表明:与基准组相比,添加质量分数3%的LNO补锂剂可以显著提升磷酸铁锂电池的性能,补锂组的能量密度和循环寿命分别提高4.9%和50%。此外,结合三电极测试方法,阐明了补锂技术对循环性能提升的作用机制。添加过量的正极补锂剂可促使部分活性锂预存于负极侧,在循环过程中进行缓慢释放,确保长期稳定的锂损失补偿,从而改善锂离子电池的循环寿命。该研究有助于推动正极补锂技术在储能电池中的应用,不仅为高性能磷酸铁锂电池的设计与开发提供理论和实验依据,也为硅基负极材料的商业化应用奠定基础。

陶瓷隔膜对锂离子电池热失控影响及电池设计优化分析

本文主要研究了以聚乙烯(PE)材质为基膜、陶瓷为涂层的五种不同厚度及双面涂层的复合隔膜的表面形态、拉伸强度、穿刺强度等性能。并选择其中三款隔膜制成大容量铝壳电池进行热失控试验。研究发现,不同涂覆厚度的陶瓷涂层隔膜表面涂层致密,颗粒粒径分布范围较宽,形貌、大小相近;拉伸强度及穿刺强度方面,基膜为12μm的陶瓷隔膜不同涂覆厚度没有明显差异,并且同等厚度基膜单面涂覆和双面涂覆无明显差异;相同测试条件下,隔膜的热收缩率是(12+2+2)μm、(12+1.5+1.5)μm<(12+4)μm<(12+3)μm<(12+2)μm。采用(12+2)μm、(12+4)μm隔膜生产的电池测试发生热失控时的SOC分别为116.94%、117.64%,电池最高温度分别为530.9℃、430.7℃。实验表明陶瓷涂层厚度越大电池发生热失控的时间越迟,最高温度越低。此外,双面涂层隔膜(12+2+2)μm制成的电池发生热失控是在过充结束后的加热工步,最高温度仅为369.5℃。针对实验所产生的现象进行了分析,对电池的设计优化方向做了一些思考,指出了隔膜宽度方向超出负极极片、负极极片长度和宽度方向超出正极极片之外的部分(Overhang)的设计对于电池的安全是极其重要的,电池在设计时需要充分评估使用场景和极端条件的影响,结合选择的隔膜的热收缩率的大小,核算隔膜的收缩比例,确保Overhang的设计是满足电池全寿命周期安全需求。

高比能长寿命磷酸铁锂电池正极导电剂选择

为改善磷酸铁锂电池体系的动力学性能,助力储能领域长循环铁锂电池的开发,本文分别以一定质量占比的导电炭黑(SP)、碳纳米管(CNTs)、石墨烯(GN)及SP&CNTs、SP&GN 5种方案作磷酸铁锂电池正极的导电剂,通过对比不同方案正极片厚度变化、电池倍率、低温、自放电和循环充放电等性能,研究不同导电剂对电池加工和电性能的影响。结果表明,复合二元导电剂比单一导电剂具有更好的电性能,0.5%SP+1.0%CNTs方案因同时具有高电子电导率和离子电导率而表现出最优的循环性能。

锂离子电池设计阶段的质量管理

在实现“双碳”目标的进程中,锂离子电池作为绿色能源,发展势头强劲。同时,锂离子电池的质量也备受关注。本文结合质量管理理论和锂离子电池开发实践,对锂离子电池开发中关键的设计阶段的质量管理展开论述。阐明了设计阶段质量管理的意义,重点探讨锂离子电池设计阶段的目标、方案、进度和风险的质量管理,期望为提升锂离子电池全生命周期的可靠性提供借鉴。

一定预紧力下过放电对锂离子电池性能的影响

测试数据中心用磷酸铁锂/石墨锂离子电池在有无预紧力下过放电的性能。该电池具有高倍率长循环特性,可持续以5.00 C放电2 000次。对电池进行0~3.65 V、0.20~3.65 V、0.50~3.65 V、0.80~3.65 V和1.50~3.65 V等5个过放电电压区间的循环测试发现,随着放电截止电压降低,循环衰减加快。有夹具可提升同一循环区间下的电池寿命,通过电化学阻抗谱(EIS)、SEM和XRD测试发现,有夹具电池的界面阻抗和电荷转移阻抗更小,外部压力可减少电极界面空隙,增加接触面积,抑制产气带来的Li+活性损失,提升循环性能。无夹具电池的负极,在充放电过程中会发生微观变化,导致循环衰减更严重。电池即使在过低电压下储存,也不会出现容量的衰减。

不同工况对锂离子电池包温度场的影响

针对锂离子电池包运行时内部温度变化以及分布不均匀的问题,对其不同工况下的充放电温度场进行了研究。结果表明:电池包在常规温度区间运行时,温度降低,温升增大,温差基本不变;倍率增大,温升与温差均有所增大;在低温环境下,随着温度降低,温升增大,而温差也相对增大;连续循环时,小倍率充电能帮助电池包温度恢复到正常数值,减少甚至消除前期热量积聚对后期应用的影响。因此,可以通过减小充电倍率、低温下谨慎进行大电流放电、避免连续使用等系列方法减小温升并保持电池内部温度场的均一性。

溶胶-凝胶法制备层状LiMn_(0.5)Ni_(0.5)O_2锂离子电池正极材料及其电化学性能(英文)

以醋酸锂、醋酸锰和醋酸镍为原料,羟基乙二酸为螯合剂,通过溶胶-凝胶法制备层状LiMn0.5Ni0.5O2正极材料,得到的产物具有典型的α-NaFeO2层状结构,颗粒尺寸在300～400nm之间。对900℃下制得的层状LiMn0.5Ni0.5O2在2.5～4.3V之间进行充放电测试,电流密度为0.1mAcm-2,其首次放电容量达到了161.2mAhg-1。经过20次循环后,仍然保留了初始容量的88%。

炭材料在铅炭超级电池负极中的应用

铅炭超级蓄电池是由铅酸电池和超级电容器通过创新组合而形成的新型电化学储能装置,具有高功率、长寿命的特点,在电动汽车与规模储能方面有良好的应用前景。其性能突破的关键是将炭材料用到铅炭超级电池负极中,降低负极硫酸盐化。在高倍率部分荷电态工况下,阀控铅酸电池失效的原因是在负极板表面生成致密、不导电的硫酸铅的绝缘层。炭材料添加剂能抑制负极不可逆硫酸盐化,显著提高在高倍率部分荷电态工况下电池的循环寿命、功率性能和充电接受能力。介绍了炭材料抑制负极不可逆硫酸盐化的内在作用机理,综述了最近几年炭材料在铅炭超级蓄电池中应用的研究进展。

Pb-Sn-Me铅酸电池板栅合金的耐腐蚀性能研究

通过对添加不同金属组元的Pb-Sn板栅合金进行微观形态与组织成分的分析,从晶界腐蚀数量、基体腐蚀深度、晶界腐蚀深度三个方面综合评价了Pb-Sn-Me系合金的耐腐蚀性能,并研究了Me的添加对合金耐腐蚀性能,尤其是晶界腐蚀特性的影响。研究发现,Me的添加对Pb0.3Sn系浇铸板栅的基体腐蚀深度和晶界腐蚀深度有较大影响。Yb、Bi、Si等组元可较好地改善板栅的耐腐蚀性能,而细化晶粒的稀土元素La、Ce等则会恶化板栅的耐腐蚀性能。总体而言,第三组元Me对Pb-Sn合金耐腐蚀的作用机理主要基于对合金晶粒尺寸、是否形成Sn-Me金属间化合物以及抗生长能力这三个方面的影响。

活性炭孔结构对铅酸电池负极性能的影响

将具有分级孔结构的活性炭材料添加于铅酸电池负极表层制备得到铅炭电极,并通过不同倍率放电以及部分荷电态、高倍率(HRPSo C)循环测试,考察了铅炭电极高倍率放电性能。结果表明铅酸电池负极表层添加活性炭材料对其倍率放电性能具有重要影响。活性炭中的微米级孔隙可以增加HSO4-离子的流通孔道,提高其迁移速率,抑制负极表面硫酸盐化,提高负极高倍率条件下的放电性能。

VRLA电池作为核电厂1E级蓄电池可行性探讨

核电厂采用1E级蓄电池为富液式铅酸蓄电池,而富液式蓄电池无法同时满足三代非能动核电站大电流和长时间放电性能要求。通过富液式铅酸蓄电池和阀控式铅酸蓄电池性能对比,结合核电厂1E级蓄电池的使用工况,从电池综合性能及安全性角度探讨了阀控式铅酸蓄电池作为核电厂1E级蓄电池可行性。

超级铅蓄电池研究进展

超级铅蓄电池是将超级电容器的活性炭电极材料应用到传统铅蓄电池之上的一种新型铅蓄电池,它在电动汽车与规模储能方面有良好的应用前景。介绍了超级铅蓄电池内部活性炭材料的作用机制,综述了近两年来超级铅蓄电池的研究进展。

基于Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12/聚合物复合固态电解质的制备及电化学性能

采用溶液浇注法制备以Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)为填料、聚氧化乙烯(PEO)与聚碳酸亚丙酯(PPC)共混的固态复合电解质膜,探讨了LLZTO含量和PPC/PEO比例对复合固态电解质离子电导率的影响。研究发现,当LLZTO含量为30%(w/w)及PPC/PEO质量比为1∶1时,固态复合电解质室温离子电导率最高,达到1.14×10-4S·cm-1。LLZTO和PPC的加入,降低了PEO基电解质的结晶性,提高了离子电导率、电化学稳定窗口(4.7 V)和锂离子迁移数(0.25),并改善了电解质与金属锂的化学稳定性。该固态复合电解质与LiFePO4/Li组装固态锂电池,室温下在0.1C循环70次后容量保持率82%,60℃下0.1C循环100次后容量保持率79%,0.5C和1C倍率下放电比容量仍能达到120.7和112.6 mAh·g-1。

大容量锂离子电池储能系统的热管理技术现状分析

大容量锂离子电池储能系统对完善传统电网和高效利用新能源都具有非常重要的作用。为了实现大容量锂离子电池储能系统的高倍率化、长寿命化以及高安全性,高性能电池热管理系统的研发刻不容缓。本文总结了温度对锂离子电池性能的影响规律,综述了空冷、液冷、热管冷却、相变冷却这4种典型热管理技术的研究概况,分析了热管理技术在锂离子电池储能系统中的应用与研究状况。随着锂离子电池储能系统工作倍率的提高,产热量随之增大,对热管理系统的要求也越来越高。下一步的研究工作应围绕空冷系统优化、基于新型冷却介质的液冷系统、经济型热管及多目标优化设计这4方面展开。

离子交换法制备LiMn_(1-x)Co_xO_2及其电化学性能(英文)

采用离子交换法制备出层状结构锂离子电池正极材料LiMn1-xCoxO2(0.1≤x≤0.5)。X射线衍射和扫描电镜进行分析表明材料具有明显的层状结构和良好的结晶性。电化学性能研究表明,LiMn0.5Co0.5O2的最高放电容量为175mAh/g,并且具有良好的循环性能,在3.0～4.5V的冲放电电压范围内,经过20次循环,可逆容量达95%。对实验结果的研究表明,随着Co含量的增加,材料具有更明显的层状性能和更优的循环性能。

稀土元素作为铅酸蓄电池板栅合金添加剂研究进展

稀土元素作为铅合金材料添加剂,可以有效地改善板栅合金的力学性能和电化学性能。总结了稀土元素添加剂对铅合金的影响作用,稀土元素添加于铅合金中可以细化晶粒,改善合金综合力学性能,提高合金析氢和析氧过电位,增强合金耐腐蚀性能,降低阳极氧化膜阻抗。并概述了铈、镧、钐等稀土元素作为铅合金的添加剂的研究进展。

涂碳铝箔对磷酸铁锂电池性能的影响

为了了解涂碳铝箔对磷酸铁锂电池性能的影响,分别对涂碳铝箔(包括涂炭黑铝箔和涂石墨烯铝箔)和光铝箔进行了形貌表征。扫描电子显微结果显示,涂炭黑铝箔表面没有完全被炭黑颗粒团聚体覆盖,而涂石墨烯铝箔表面则均匀平铺着石墨烯纳米片。之后进一步以3种铝箔为集流体制作了磷酸铁锂电池,来评估其对锂离子电池电化学性能的影响。结果显示,涂碳铝箔和光铝箔所制电池的电化学阻抗谱具有明显差异,涂碳铝箔对电池内阻具有显著的改善作用,光铝箔所制电池的阻抗谱则多一段由铝箔与活性材料界面空隙处的双电层电容产生的容抗弧。存储测试结果表明,使用涂碳铝箔后,电池自放电更小,存储性能有所改善。倍率充放电测试结果显示,涂碳铝箔电池大电流充放电时恒流充入比和放电中值电压更高,电池极化更小,功率性能更好。涂碳铝箔电池的低温性能也更具有竞争优势,其初始放电电压平台更高,放电容量也更高。涂碳铝箔对电池的1 C循环和3 C循环性能也有显著提升。同时,研究发现,涂碳层种类不同,对磷酸铁锂电池性能的提升效果不同:涂石墨烯铝箔在高功率工况下对磷酸铁锂电池性能的提升幅度优于涂炭黑铝箔,原因在于石墨烯片层在沿铝箔表面方向对导电和导热性能的改善优于炭黑涂层。

变电站VRLA电池3 h率核对性放电技术研究

针对变电站VRLA电池10 h率核对性放电存在的问题、分析了变电站直流事故负荷与VRLA电池容量关系,发现3 h率核对性放电电流更接近于直流事故负荷电流,而且能够缩短放电时间。对比3 h率和10 h率放电性能,采用3h率核对性放电的方法不会降低电池的使用寿命,且VRLA电池的3 h率和10 h率放电性能具有较高的关联性。结果表明采用3 h率放电替代10 h率放电进行变电站蓄电池核容检测具有可行性。

磷酸铁锂电池在通信领域的再利用

近年来随着锂离子电池的爆发式生产和使用,退役电池的处理成为人类必须思考和解决的问题。电动汽车和通信后备电源等领域对电池性能需求的差异,以及电池本身的长寿命特性,为磷酸铁锂电池的进行梯次利用提供了可能。另一方面,为降低退役电池造成的污染环境,进行资源的可回收利用,打造绿色产业链,对退役电池进行回收处理和再利用势在必行。文中对目前电池的回收方法、回收再生材料的性能及效益进行了对比分析,提升了磷酸铁锂电池在通信领域的再利用可行性。