动力电池的发展与挑战——从液态电池到全固态电池

全面探讨了动力电池技术的发展历程,详细分析了各种动力电池技术的工作原理、优势、局限性及其实际应用场景,并针对提高动力电池的能量密度、使用寿命、安全性和降低电池成本等方面,探讨了电池回收和可持续性的重要性。随着动力电池技术的快速发展,新的电池类型及其升级技术有望解决当前面临的挑战,为可持续能源和可再生能源的发展提供保障。

基于锂负极的液态金属电池研究进展

液态金属电池由于具有低成本、易于组装和扩容等优点,且在充放电过程中能够有效地避免枝晶生长和电极结构变形等问题,在规模化电网储能领域具有显著优势。本文系统地综述了液体金属电池的工作原理、优缺点、电池材料(包括电极和电解质)的选取原则以及近期液态金属电池电极材料的研究进展,着重介绍了Li‖Te体系、Li‖Bi体系、Li‖Sb体系、Li‖Sb-X(X=Pb,Sn)体系以及Li‖Bi-X(X=Sn,Pb)体系等以金属锂为负极的液态金属电池关键材料体系,重点分析了上述材料体系的电化学储能特性、安全性、循环稳定性以及性能提升策略,并对比分析了上述材料体系在大规模储能应用时存在的优势与不足。此外,综述了Li基液态金属电池在熔盐电解质、高温密封及腐蚀防护、电池热管理等方面存在的问题以及面临的技术难题。最后,展望了液态金属电池正、负极材料的主要发展方向。综合分析表明,基于Li负极的液态金属电池具有低熔点、低成本、高库仑效率以及高放电电压等优点。

液态金属电池串联复合均衡模式的研究

液态金属电池是一种新型储能电池,具有大容量、大充放电电流、长寿命等特点。本文介绍了液态金属电池的原理,通过实验获得了电池的充放电特性,根据电池充放电电压低、平台期长等特点,提出了电池串联复合均衡模式。以4个电池为基本单位组成电池小组,采用电阻式被动均衡电路实现组内单电池均衡,利用电感转移电路设计了主动均衡,实现电池组间的均衡,在此基础上给出了电池组在充电和放电过程下的均衡策略。对24个电池的串联电路利用设计的复合均衡模式进行了实际测试,实验结果表明该均衡模式可以实现多电池串联均衡,为电池管理系统(BMS)的开发打下了良好基础。

我国固态电池产业化发展的问题与进路

当前,固态电池是新能源汽车、储能等领域电池技术的竞争焦点,成为欧美地区和日韩地区新能源技术的研发重点。我国将固态电池作为下一代储能电池发展的主要方向,在固态电池性能、界面和材料等方面的研发取得了一定的成绩,但也存在关键技术难题待解决、工程化制备技术待突破、知识产权布局待优化、发展技术路线待清晰等重大挑战,产业化发展道路面临诸多困难。当前,应通过加大政策扶持、推动技术创新研究,明确发展目标、坚持多元化发展策略,强化产学研合作、加速研究成果转化,扶持龙头企业、明确固态电池优先发展级,强化国际合作、探索发展新模式等措施,全力以赴构建我国高安全性固态电池科技和产业发展体系。

一种基于集成机器学习的液态金属电池快速分选方法

电池分选方法能够有效降低电池间的不一致性,显著提升储能系统的性能、降低安全隐患。由于液态金属电池具有容量大、内阻小等特点,现有分选方法难以满足其分选的要求。针对现有分选方法耗时长、精度较低的问题,该文提出了一种基于集成机器学习的液态金属电池快速分选方法。该方法利用活化期的电池数据作为输入,通过特征选择和集成学习方法结合不同模型优势,并根据集成模型对预测得到的电池容量进行分选。与现有分选方法相比,该方法避免了额外的电池测试从而实现了快速分选,同时具有更低的预测误差与更好的可靠性。研究结果表明:相较于主流的分选方法,该分选方法的预测误差降低了52.16%,可靠性提升了9.10%,在电池分选上实现了高准确率和召回率,分别为96.62%和93.18%。在规模储能的电池分选中,该方法具有显著的潜在应用价值。

液态金属电池串联成组的一致性分选

液态金属电池是一种兼具低成本、长寿命、大容量优势的规模储能技术。为提高串联液态金属电池组一致性和可靠性,该文提出一种电池综合分选方法。基于单体电池的活化数据,获取液态金属电池的综合特性参数;然后,通过皮尔逊相关性分析,选取若干典型静态特性指标作为聚类特征,进行电池初分选;最后,以动态时间规整相似度对电池放电曲线的差异性进行量化评估,并采用减法聚类进行电池再分选。研究结果表明,分选后液态金属电池组容量提高了6.77%,电池放电曲线差异减少了88.28%,电池组一致性得到显著提高。

储能电池建模与状态估计研究进展

储能电池具有能够平滑可再生能源输出,提高电力系统灵活性和应对电力需求峰谷等优势,有助于推动可再生能源发展,从而应对环境污染和能源紧缺的双重压力。目前市场主流的储能电池为锂离子电池,具有高比能特性,同时新型储能电池也在蓬勃发展,其中全钒液流电池具有高安全性的优势,液态金属电池具有超长循环寿命,在电力储能领域具有重要应用前景。储能电池的建模和状态估计对提高储能电池系统性能,确保其安全性以及优化维护效率至关重要,因此文中对锂离子电池、全钒液流电池和液态金属电池的建模和状态估计进行综述。首先,介绍了储能电池状态估计的整体框架,对基于实验的方法、基于模型的方法和基于数据驱动的方法进行整体介绍,并对荷电状态(state of charge,SOC)、健康状态(state of health,SOH)和剩余使用寿命(remaining useful life,RUL)进行概括;然后,从原理出发,分别总结了不同储能电池体系的内部工作过程、模型构建、状态估计与电池管理过程;最后,对不同储能电池体系的主要工作特性进行横向对比和总结,旨在为储能电池选择和发展提供启示。

液态金属电池——前景广阔的电网储能新技术

液态金属电池具有结构简单、易放大、可大电流充放电、制造成本低、循环寿命长等潜在优势,在大规模可再生能源发电并网以及分布式发电与微电网领域具有广阔的应用前景。重点介绍了液态金属电池的工作原理、性能特点、发展历史、技术现状。在此基础上,讨论了液态金属电池技术的发展趋势。

串联液态金属电池组均衡控制策略研究

液态金属电池是一类廉价高效、适合规模电能存储的新型储能电池技术。在分析液态金属电池特性的基础上,研究了一种基于开关矩阵的电感型均衡电路,提出以荷电状态(SOC)作为均衡变量,以SOC极大和极小的电池单体作为均衡对象,通过"变步长"方式对均衡电流进行控制的cell-to-cell均衡控制策略,并阐明了其具体的工作原理。利用Ma tla b/S imulink软件构建了串联液态金属电池组均衡控制系统模型,并针对串联液态金属电池组处于静置状态和恒流充电状态分别进行均衡控制仿真分析。该均衡控制策略适用于电池组的各种运行状态,可有效提高电池组中液态金属电池的一致性和容量利用率。

Na||Sb-Pb-Sn液态金属电池电极的价电子结构与热-电性能计算

应用固体与分子经验电子理论系统地研究液态金属池Na||Sb-Pb-Sn电极的价电子结构与热、电性能.研究结果表明:电极合金的价电子结构与其性能密切关联.阴极合金Na_(1–x)IA_x (IA=K, Rb, Cs)的晶格电子随着掺杂量的增加而减少,诱发合金的熔点、结合能随掺杂量的增加而降低. Na离子输运到阳极,与阳极Sb-Sn-Pb形成产物NaSb_3, NaSn, Na_(15)Sn_4, NaPb.其理论熔点与实验相符. NaSb_3的平均晶格电子数最少,开路电压最高.研究表明:对于Na||Sb-Pb-Sn液态金属电池体系而言,晶格电子扮演重要的角色,可以调控电极的热、电性能.

液态金属电池研究进展

液态金属电池是一类具备低成本长寿命潜力的大规模储能技术,在可再生能源并网、削峰填谷、调频辅助服务等领域具有广阔的应用前景,是面向未来的热点储能技术之一。基于现阶段规模储能对储能技术成本、寿命等方面的实际要求,结合液态金属电池的研究现状,重点介绍液态金属电池的基本性质,以成本和能量转换效率为基准优选关键材料体系,简述关键材料体系及器件研究水平,并根据液态金属电池研究中存在的问题,探讨并展望了液态金属电池的发展趋势。

液态金属电池研究进展

规模电能存储技术在有效利用可再生能源、构建智能电网、提高电能质量等领域的重要性日益凸显。液态金属电池作为一类新型储能电池技术,其电解质和正负极分别采用无机熔盐和液态金属,具有成本低、容量大、效率高、寿命长等特点,在规模储能领域具有广阔的应用前景。本文主要从电池设计和体系优化等方面介绍液态金属电池的重要研发进展,分析其主要技术挑战,在此基础上提出了面向电力储能应用的新型液态金属电池的发展方向。

液态金属电池储能系统在光氢耦合微电网中的优化配置

液态金属电池是一种新型电池,其与氢储能共同构成的综合储能系统可以很好地满足微电网的需求。首先为该综合储能系统设计了一套以经济性最优为原则的调度方案,使两种储能装置协调配合,共同平抑并网光伏电能的功率波动。其次,仿真计算该调度方案下的液态金属电池配置成本、微电网年利润、电池预期使用寿命、电池容量不足的天数等指标,并利用这4项指标构建液态金属电池储能系统性能的综合评价模型。最后,以某光氢耦合微电网为例,利用上述模型对不同容量液态金属电池的性能进行评价,得出了电池的最优配置容量。

液态金属电池的研究进展

介绍了美国麻省理工学院(MIT)正在研发的液态金属电池,其三液态层体系的独特结构避免了限制传统电池寿命的微观电极退化机制,给予了液态金属电池超长的循环寿命。综述了此类电池的基本原理与优良特性、早期研究以及MIT最新研究现状,指出了影响液态金属电池性能的难题和各类电池成分存在的挑战。未来液态金属电池的研究领域充满机遇,目前锂基体系表现出很有吸引力的性能指标,代表了液态金属电池的研究发展方向。

基于扩展卡尔曼滤波算法的新型液态金属电池的荷电状态在线估算

液态金属电池是一种满足电网大规模储能要求的新型的大容量储能电池,其荷电状态的准确在线估算是其投入规模应用的重要基础,但是目前没有公开发表的针对在线估算此电池荷电状态的文献。以此为目的建立了基于扩展卡尔曼滤波器的电池荷电状态在线估算方法。建立了考虑电池自放电因素的等效物理模型。在此基础上,提出一种基于扩展卡尔曼滤波器的电池荷电状态在线估算方法。实验结果表明,在不同的电池工况下和电池荷电状态估算初值设置不同的情况,电池荷电状态的估算值都具有较高的精度。估算值和测量值之间的标准误差和均值误差分别为0.018 3和0.014 5。该算法可以有效地解决电池初始参数对SOC估算值的影响。

面向电力系统的液态金属电池储能技术

电化学储能灵活高效,是大规模电力储能技术发展的重要方向。液态金属电池(liquid metal battery,LMB)采用液态金属和熔融无机盐分别作为电极和电解质,从根本上避免了传统电池的寿命限制问题,其具有长寿命、低成本、大容量的优势,在电力系统储能领域具有广阔的应用前景。主要介绍了LMB的工作原理,重点综述了其发展历程和重要研究进展,并指出了现有电池体系存在的局限性与面临的挑战,在此基础上,探讨并明确了LMB的重点发展方向。

新型液态金属电池正极材料的探索研究

利用液态金属电池储能是近年来发展起来的一种新型电化学储能技术,具有成本低、寿命长等优点,在大型储能领域具有广阔的应用前景。传统单一组分的正极材料面临熔点高、电压低等问题,而合金材料则给液态金属电池正极材料提供了新的可能。本文通过分子动力学方法计算多种适用于液态金属电池正极材料的金属和合金材料(Bi、Sb、Te、Sn、Pb),经过多尺度计算模拟,首先找到了30种二元合金和三元合金,分析这些合金材料的形成能,发现均为负值,理论上说明这30种二元合金和三元合金均可以稳定存在。而后,筛选出具有较低熔点(<500℃)的正极合金,分别是SnSb、HgTl、InBi、PbSb、HgIn、InTe、GaSb、AlSb、CdSnSb2、ZnSb。进一步分析合金正极材料的态密度,选出7种离子传输能力较强的正极合金:PbSb、HgIn、CdSnSb2、ZnSnSb2、InTe、SnSb和SnTl4Te3,模拟计算其以锂为负极情况下的开路电压,结果表明,以SnSb为正极材料时,开路电压可达0.65 V。

合金电极液态金属电池研究进展

可再生能源快速发展的今天,液态金属电池凭借其长寿命、低成本以及高倍率性能,被认为是潜能巨大的储能体系。不同体系的液态金属电池都得到了大量的研究,其中电极的合金化被证明是能解决单金属电极成本高、利用率低等缺点的方法。重点介绍了各种合金化体系液态金属电池研究成果,总结了合金化电极降低液态金属电池工作温度、增强电极的润湿性、降低活性成分在熔盐中的溶解度等作用。介绍了液态金属电池中存在的腐蚀行为,探索并展望了液态金属电池的未来发展趋势。

锂铅液态金属电池自然对流瞬态分析

液态金属电池内部自然对流导致的界面波动会影响电池安全运行。采用数值模拟方法对锂铅液态金属电池(Li|LiCl|Pb)的自然对流过程进行分析,研究了绝热条件下不同电流密度和不同电解质层厚度时自然对流过程中温度场和流场的分布规律。结果表明:自然对流随电流密度的增大而增强,但受电解质厚度变化的影响却较小;放电初期,电池内温差和流速均迅速增大,随后温差趋于稳定并有下降的趋势,流速增长也逐渐平稳;由于本电池模型的正极区域液态金属的对流较弱,因此内部反应物混合过程不会明显影响电池性能。

基于模糊逻辑控制器的液态金属电池组两级均衡系统

液态金属电池是面向电网大规模储能应用近年发展起来的一类低成本、长寿命的新型储能电池技术。电池均衡管理是电池组安全、高效运行的基本保障,该文针对液态金属电池低电压、大电流特性,设计基于电感和变压器的两级混合均衡系统。通过MATLAB/Simulink平台搭建液态金属电池模型以及电池组均衡系统仿真模型。在采用基于荷电状态(state of charge,SoC)的均衡控制策略中引入模糊逻辑控制器,提高了电池组的均衡效率。经过在静置工况和动态工况下仿真表明所提出的均衡方案能够有效改善电池组的不一致性,提高电池组的可用容量。另外,在静置工况下与单级均衡电路相比,所提出的均衡方案均衡时间缩短了91.6%。