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。

锂离子电池高安全复合隔膜的挑战和未来展望

隔膜作为锂电池的重要结构组成部分,起阻隔正负极接触、吸收并固定电解液、传递离子等关键作用。锂电池用商用隔膜面临高温热收缩等问题,影响电池的持久安全性。本文首先简要介绍了锂离子电池隔膜在孔隙结构、电解液润湿性、结构/热/化学/电化学稳定性以及隔膜-电解液相互作用等方面的要求,并通过对近期相关文献的探讨,重点综述了耐高温聚合物隔膜的研究进展;重点分析了高耐热聚合物基隔膜、阻燃添加剂涂敷隔膜和聚合物基底复合等策略对于阻燃多功能复合隔膜的改善机制;对于复合隔膜的锂枝晶抑制策略,主要介绍了物理阻隔锂枝晶生长、均匀化锂沉积和调控锂离子迁移通量三种方法。综合分析表明,通过减薄聚烯烃隔膜同时引入高性能薄涂层、掺杂固态电解质、开发高耐热聚合物基底隔膜等策略,有望在实现高安全性的同时获得高离子电导率。

变电站用铅酸电池SOH估计

变电站用铅酸蓄电池组在核容时的单体电压下降率与浮充时的内阻均值与铅酸电池组的健康状态(SOH)有明显关系。通过分析核容和浮充状态对SOH的影响权重大小,分别建立了浮充时内阻均值及核容时单体电压下降率与SOH的关系模型,从而提出了一种基于融合模型的变电站用铅酸电池SOH估计算法。该算法针对变电站用铅酸电池组实际工况设计,针对性强,并采用电池电压下降率表征核容过程对SOH的影响,采用内阻变化表征浮充过程对SOH的影响,适用于变电站用铅酸电池的全生命周期。最后通过加速寿命实验验证所提出的算法,实验结果表明,该算法能够很好地表征变电站用铅酸电池的衰减状态,估计精度高。

110kV变电站直流系统锂电池容量计算

为了探索新型锂电池在变电站直流系统中的应用,根据110 kV标准变电站直流系统的配置,对事故负荷和事故持续时间等进行分析,考虑容量系数和可靠系数,并根据磷酸铁锂电池和三元锂电池的放电曲线特点,划分两种锂电池的有效工作区间,计算采用这两种锂电池作为110 kV变电站用直流电源时的电池配置,发现采用磷酸铁锂电池时,至少需要33串185 Ah的电池;采用三元锂电池时,则至少需要29串207 Ah的电池,所得结论大大证明了锂电池在变电站直流系统中应用的可靠性。

基于高阶非线性模型的铅酸蓄电池SOC估计

铅酸蓄电池在电动汽车和蓄电池储能系统等领域有着广泛的应用,提高铅酸蓄电池荷电状态(SOC)估算的精度具有重要的意义。本文针对目前SOC估算方法中电池等效模型复杂、相关参数难以确定等问题,提出了一种新型高阶非线性拟合开路电压的SOC估计方法,通过拟合恒流充放电工况下的开路电压(OCV)–SOC曲线,建立适用于变电流充放电工况下的铅酸蓄电池模型,并结合扩展卡尔曼滤波算法(EKF)对电池的SOC进行估算。仿真和实验结果表明该方法能够实现铅酸蓄电池的高精度SOC估算。

基于尖晶石正极材料的柔性锂离子电池的制备和测试

发展了一种新颖、简单且普适性很强的制备柔性无支撑的电极薄膜方法,并成功地组装和测试了LiMn2O4/Li4Ti5O12,LiNi0.5Mn1.5O4/Li4Ti5O12以及LiNi0.5Mn1.5O4/石墨3种全电池.以这种方法制备的锂离子电池具有能量密度高的特点,在某些特定的领域具有潜在的应用前景.此外,这种技术还有可能应用于锂离子电池的原位光谱分析.

淘汰磷酸铁锂动力电池内阻测试方法研究

以淘汰磷酸铁锂动力电池为研究对象,采用内阻测试仪测试法、直流阻抗法、短路电流与内阻水平法、交流阻抗法分别进行内阻测试,结果表明:内阻测试仪测试法最简单,可以在线测量,但是系统误差最大;直流阻抗法和短路电流与内阻水平法可避免较大的人为误差,并且能够清楚地显示电池内阻在不同SOC下的变化情况,但是只能在离线状态下测量,其中,短路电流与内阻水平法测试是在大电流放电下进行的,对电池会产生一定的影响;交流阻抗法测试能够比较全面地反映各部分动力学过程产生的阻抗,但是只能测出某一荷电状态下的电池内阻变化,并且测试相对复杂且受环境影响较大。

从正极材料看锂离子电池在储能领域的应用

针对锂离子电池在电力储能中的应用,从电化学性能、安全性能以及价格等方面比较了岩盐结构LiCoO2、尖晶石型LiMn2O4和橄榄石型LiFePO43类主要的锂离子电池正极材料,论述了它们各自的优点和不足之处。对不同正极材料的锂离子电池在储能领域存在的问题进行了分析,对各自的应用前景进行了展望,认为LiMn2O4和LiFePO4分别适用于功率型应用和容量型应用。

离子液体电解质在锂二次电池中的应用

锂二次电池作为动力电池,被寄予厚望。但锂二次电池面临的安全隐患也是不容忽视的,是当前亟需解决的问题,而这与电解质的性质有着紧密的联系。离子液体由于具有较宽电化学窗口、良好的导电性、高热稳定性、几乎无挥发及不燃烧等优良的特性,正在作为一种新型绿色替代溶剂被电化学领域所关注。离子液体的不燃烧特性,对于替代传统有机电解质具有十分重要的意义。本文阐述了新型溶剂"离子液体"作为电解质在锂二次电池中的应用,其中重点阐述了在碳、硅、钛酸锂(Li4Ti5O12)、磷酸亚铁锂(LiFePO4)、钴酸锂LiCoO2、镍锰酸锂(LiNix Mny Oz),镍钴锰锂(LiNix Coy Mnz Ow)及在锂硫(Li-S)电池中的应用。

钠金属负极人工界面保护层的研究进展

钠金属负极由于其高的比容量、低的氧化还原电位以及资源优势被认为是钠电池极佳的负极材料。然而,不稳定的固体电解质界面(SEI)以及钠枝晶生长问题严重阻碍了其实际应用。因此,采用适当的保护策略实现钠金属负极稳定及高效循环是非常必要的。通常在钠金属负极表面构建人工界面层不仅可以有效实现钠均匀沉积/剥离,而且可有效缓解钠金属负极在电化学过程中的体积变化以及抑制钠枝晶生长。为此,该综述归纳总结了人工界面层策略改善钠金属负极的研究进展。首先讨论了自发形成的SEI膜的基本性质,其存在稳定性差、韧性差、机械强度低等问题。针对此,提出构建无机、有机和无机-有机复合人工界面层保护钠金属负极,实现无枝晶钠沉积/剥离。含钠无机材料通常具有高剪切模量、耐腐蚀、结构稳定、高离子电导率等优点,但脆性大;有机材料通常具有结构可设计性、官能团多样性以及高机械韧性特点,但稳定性较弱;无机-有机复合保护膜结合了上述两者的优势,可构建综合性能优异的人工界面层。文中详细阐述了这三种人工界面膜的实施方法与改性效果。最后,建议对人工界面膜持续优化以及采用先进表征技术、理论计算和模拟等深入研究界面稳定性机理。

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。

计及储能寿命的微电网混合储能容量优化配置

在孤立微电网中配置适当的储能能够平衡可再生能源的随机性和间歇性,为此,基于离散傅里叶变换(discrete Fourier transform,DFT)的功率分配,将不平衡功率分为低频和高频分量,有效利用柴油机与储能的特点,可使柴油发电机定期为储能补充能量以弥补充其放电过程中的能量损耗;利用雨流法计数法,充分考虑充放电次数和深度对能量型储能寿命的影响,建立以投资运行维护总费用最小的目标函数,用含约束的遗传算法(genetic algorithm,GA)进行优化求解。对某地区一年的风-光-负荷数据进行深入的算例分析,验证混合储能系统(hybrid energy storage systems,HESS)相对单一储能系统更具优势,并说明充放电循环对储能寿命的影响。

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。

磷酸铁锂电池作为变电站用直流电源的特性

为了探索磷酸铁锂电池取代铅酸蓄电池作为变电站用直流电源的工作特性,通过浮充电测试,对铅酸电池和磷酸铁锂电池在不同浮充电压下的浮充电流特性、搁置特性、模拟工况放电特性等方面进行比对分析,发现磷酸铁锂电池具有远远超过铅酸蓄电池的大电流放电能力;磷酸铁锂电池具有不同于铅酸蓄电池的浮充特性,建议其浮充电压应选择在3.50 V左右。对磷酸铁锂电池组进行长时间浮充试验发现,在室温下3.6 V电压浮充运行一年后,其容量保持率高达96.06%。

二次利用磷酸铁锂动力电池并联特性研究

随着电动汽车的快速发展,未来将有大量的动力电池退役,这些淘汰下来的电池仍有可观的剩余容量和寿命,可以在静态储能等领域实现梯次利用。为了提高安全性和输出性能,淘汰下来的动力电池需要在筛选之后重新串、并联成组使用。以二次利用磷酸铁锂动力电池为研究对象,研究在单体电池内阻不一致、剩余容量不一致、初始SOC不一致等情形下,电池组的并联特性,即并联电池组中各电池直流阻抗、电流不平衡度的变化情况。对于实现磷酸铁锂动力电池的梯次利用具有指导意义。

恒功率工况对锂离子电池循环性能的影响

为掌握锂离子电池在恒功率充放电工况下的运行特性,并探究该充放电方式对电池循环性能的影响,对磷酸铁锂电池、钴酸锂电池和锰酸锂电池进行3 h时率恒流恒压充电/恒流放电和恒功率充放电测试,对比分析了两种工况下电池的容量、能量、效率等性能参数。结果表明在3 h充放电倍率下,恒功率充放电工况对磷酸铁锂电池和锰酸锂电池的循环性能并未产生显著的不良影响。经过100次循环后,两种工况下磷酸铁锂扣式电池均表现出超过90%的容量保持率;商品磷酸铁锂电池容量和能量保持率则均超过99%,能量效率达95%。但是,相比于恒流恒压工况,磷酸铁锂电池在恒功率工况下释放的容量、能量略低。锰酸锂电池在两种工况下的容量和能量性能高度重合,但衰减都比较快,100次循环后的容量保持率仅为81.7%。对于钴酸锂电池,恒功率工况显著加剧了其容量和能量的衰减速度,100次循环后能量保持率仅为55.5%,远低于恒流恒压工况下的75.2%。

黏结剂对锂离子电池陶瓷涂敷隔膜的性能影响

为优化陶瓷涂敷隔膜热稳定性,提高锂离子电池的安全性和电化学性能,本工作选用热稳定性优异的聚酰亚胺和电化学稳定的聚偏氟乙烯六氟丙烯作为复合黏结剂,将Al_2O_3无机颗粒涂敷于商品级聚烯烃隔膜两侧。通过调控两种黏结剂组分含量,测试隔膜性能发现,增加聚酰亚胺的含量可以明显提高涂覆隔膜的热稳定性,但隔膜的电化学性能不理想;在黏结剂中引入适量的聚偏氟乙烯六氟丙烯组分,涂覆隔膜可在保持其热稳定性的同时,获得良好的离子电导率、电化学稳定性和金属锂电极兼容性等性能。最后选用电化学性能表现最为优异且热稳定性良好的黏结剂组分制备陶瓷涂敷隔膜,在Li|LiCoO_2电池中,比聚烯烃隔膜表现出更优异的电化学性能,在8 C倍率下的放电比容量为109.3 mA/g,容量保持率为66.1%,而使用PE隔膜的电池的放电比容量和容量保持率仅为88.7 mA/g和54.7%。

基于动态时间规整和多维标度策略的串联锂离子电池组异常电池可视化识别方法

精确、可靠地识别异常电池是保障电池系统安全、稳定运行的有效手段。但是,从实时测量得到的电流、电压和温度有限外部信息,推断内阻、容量等电池内部信息,并识别异常电池难度很大。本工作针对串联锂离子电池组,基于各单体电压测量数据,提出了一种融合动态时间规整和多维标度策略的异常电池识别方法。通过采用动态时间规整策略,计算动态时间规整距离相似性指标,以消除电池组中荷电状态不一致的影响;进而结合多维标度法提取异常特征参数,实现异常电池可视化识别。通过电池系统仿真实验,验证了所提方法的有效性,为异常电池在线识别提供了一种有效技术。

阀控密封式铅酸蓄电池防酸雾性能检测标准探讨

介绍了GB/T 19638.2―2005和YD/T 799―2010中关于阀控密封式铅酸蓄电池防酸雾性能的检测方法和要求,并根据这2个标准规定的酸碱滴定法(定量)和沉淀法(定性)对同规格型号同一批次的铅酸蓄电池进行检测,发现两种方法的测试结果不同:酸碱滴定法检测到的酸雾量为0.056 8 mg/Ah,超过规定的0.025 mg/Ah,为不合格;而在沉淀法试验中第3个吸收瓶中未观察到沉淀,检测结果为合格。通过对两种试验方法细节的分析,认为2个标准中所规定的检测方法均存在不足,有待进一步完善。

一起配电网自动化终端设备起火事故分析

对某供电局一起配电网自动化终端设备起火事故进行分析,现场检查发现箱内电池炸开,大部分设备已被熏黑,结合历史数据分析认为电池爆炸起火是造成该次终端箱烧毁的主要原因。为此,对引发火灾的锂离子电池进行抽样诊断分析,发现该电池的设计存在缺陷,电芯的数量和容量选择均存在问题,此外缺乏过充、过放、过温等报警装置;对电池解体进行扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)测试,发现电极表面有铜析出,认为这可能是由于电池过放电导致的,这使得电芯发生内短路,并最终引发起火事故。最后,总结了事故的经验和教训,对在电力系统等新场合应用锂离子电池提出建议。