近幾十年來，儲(chǔ)能技術(shù)的研究和發(fā)展一直受到各國(guó)能源、交通、電力、電訊等部門的重視，隨著電力系統(tǒng)逐漸由傳統(tǒng)電力系統(tǒng)向現(xiàn)代電力系統(tǒng)的過渡與發(fā)展，儲(chǔ)能技術(shù)將扮演著越來越重要的角色。電力系統(tǒng)的運(yùn)行就是在滿足安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)等約束條件下，發(fā)電與負(fù)荷的平衡，一旦這種供要平衡被打破，電能質(zhì)量將得不到保證，能源得不到充分利用，甚至將引起電網(wǎng)的崩潰。然而現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，由于發(fā)電側(cè)除了有傳統(tǒng)的火電、水電、核電等，還允許一定容量的新能源發(fā)電或分布式發(fā)電的接入，這就導(dǎo)致了發(fā)電側(cè)的隨機(jī)性和不易控，加上負(fù)荷側(cè)的隨機(jī)性，再要維持供需平衡就越發(fā)困難，甚至不可能實(shí)現(xiàn)。這時(shí)，假如能在發(fā)、輸、用等環(huán)節(jié)引入大規(guī)模儲(chǔ)能裝置，供應(yīng)電能的補(bǔ)償與平滑，將有利于功率平衡的控制。

另一方面，隨著智能電網(wǎng)概念的不斷深入，對(duì)現(xiàn)代電網(wǎng)也提出的更高的要求，不僅要能供應(yīng)優(yōu)質(zhì)的電能，還要允許各種新能源及分布式能源的柔性接入，然而這兩個(gè)要求本來又是相互矛盾的，比如風(fēng)電、光伏發(fā)電具有很大的隨機(jī)性和間歇性，接入電網(wǎng)后必然后影響電能質(zhì)量。那么，要實(shí)現(xiàn)風(fēng)電、光伏發(fā)電等的接入而同時(shí)能保證電能質(zhì)量的目標(biāo)，在發(fā)電環(huán)節(jié)接入大規(guī)模儲(chǔ)能裝置無疑是行之有效的辦法。

電能的存儲(chǔ)是伴隨著電力工業(yè)發(fā)展一直存在的問題，盡管到現(xiàn)在為止也沒有一種非常完美的儲(chǔ)能技術(shù)，但經(jīng)過幾代科學(xué)家的努力，一些比較成熟的儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)在電力行業(yè)發(fā)揮著重要的用途。大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)已然成為電網(wǎng)運(yùn)行過程中采–發(fā)–輸–配–用–儲(chǔ)六大環(huán)節(jié)中的重要組成部分。

儲(chǔ)能技術(shù)分類

電能可以轉(zhuǎn)換為化學(xué)能、勢(shì)能、動(dòng)能、電磁能等形態(tài)存儲(chǔ)，按照其具體方式可分為物理、電磁、電化學(xué)和相變儲(chǔ)能四大類型。其中物理儲(chǔ)能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能；電磁儲(chǔ)能包括超導(dǎo)、超級(jí)電容和高能密度電容儲(chǔ)能；電化學(xué)儲(chǔ)能包括鉛酸、鎳氫、鎳鎘、鋰離子、鈉硫和液流等電池儲(chǔ)能；相變儲(chǔ)能包括冰蓄冷儲(chǔ)能等。本文著重討論鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)。

鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)

（一）鋰離子電池原理

鋰離子電池是一種新型的環(huán)保的高性能的電池，它最初的應(yīng)用體現(xiàn)在小容量的電池應(yīng)用方面，相關(guān)于鉛酸電池和鎳氫電池，它具有體積小、容量高、無污染、安全性好的幾大優(yōu)點(diǎn)，隨著新型的鋰離子正極材料的出現(xiàn)，鋰離子電池的應(yīng)用范圍不斷拓展，已經(jīng)從單一的手機(jī)電池應(yīng)用拓展到大中小型電動(dòng)汽車、電力儲(chǔ)能、后備電源、電動(dòng)工具與航模等各個(gè)領(lǐng)域。

鋰離子電池是一種充電電池，它重要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作。在充放電過程中，Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。一般采用含有鋰元素的材料作為電極的電池，是現(xiàn)代高性能電池的代表。

（二）鋰離子電池特點(diǎn)

鋰離子電池由于兼具高比能量和高比功率的顯著優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ?a href="http://www.newssweekly.com/dongli/" style="color:#a98326">動(dòng)力鋰電池體系。

相比其他電化學(xué)電流，鋰離子電池有著很多自身的優(yōu)點(diǎn)，即重量輕、儲(chǔ)能容量大、功率大、無污染、壽命長(zhǎng)、自放電系數(shù)小、溫度適應(yīng)范圍廣等；但是，由于其工作過程中要保持高溫，有一定安全隱患，電池安全性不高。由此也決定了鋰離子電池可應(yīng)用于電能質(zhì)量，可靠性控制，備用電源，削峰填谷，能量管理，可再生儲(chǔ)能等方面。

鋰離子電池的關(guān)鍵技術(shù)

目前制約大容量鋰離子動(dòng)力鋰電池應(yīng)用的最重要障礙是電池的安全性，即電池在過充、短路、沖壓、穿刺、振動(dòng)、高溫?zé)釠_擊等濫用條件下，極易發(fā)生爆炸或燃燒等不安全行為。根據(jù)PH.Biensan等的研究證明：鋰離子電池在濫用的條件下有可能達(dá)到使鋁集流體熔化的高溫(>700℃)，從而導(dǎo)致電池出現(xiàn)冒煙、著火爆炸、乃至人員受傷等。因此，解決安全問題是首要關(guān)鍵技術(shù)。

（一）電極材料的選擇

（1）負(fù)極材料的安全性。目前，商業(yè)化的鋰離子電池多采用碳材料為負(fù)極，在充放電過程中，鋰在碳顆粒中嵌入和脫出，從而減少鋰枝晶形成的可能，提高電池的安全性,但這并不表示碳負(fù)極沒有安全性問題。

（2）正極材料的安全性。正極材料的安全性重要包括熱穩(wěn)定性和過充安全性。目前，常見的鋰離子電池正極活性材料有LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiNl-xCoxO2、LiFePO4和LiCol/3Nil/3Mnl/3O2。研究表明LiMn2O4和LiFePO4的安全性能較好。

（3）電解液的影響。在電解液中，使用熔點(diǎn)低、沸點(diǎn)高、分解電壓高的有機(jī)溶劑，是提高鋰離子電池安全性能的有效途徑之一，目前，商業(yè)化的鋰離子電池多采用LiPF6為導(dǎo)電劑，但是LiPF6也存在著安全隱患，所以目前急需尋找一種安全性能更好的導(dǎo)電劑代替LiPF6。電解液添加劑是目前公認(rèn)的提高鋰離子電池安全性的有效手段，通過添加不同的添加劑，可以起到改善SEI膜性能，保護(hù)正極活性物質(zhì)，穩(wěn)定LiPF6，提高過充安全性以及阻燃等用途。

（二）制造工藝的影響

鋰離子電池的制造工藝可分為圓柱式和疊片式，無論是什么結(jié)構(gòu)的鋰離子電池，其電極制造、電池裝配等制造過程都會(huì)影響電池的安全性能。鋰離子電池的制造工藝包括：正極和負(fù)極混料、涂布、輥壓、裁片、焊接極耳、卷繞或?qū)盈B、注液、封口、化成等。其中每一道工序都會(huì)影響電池的安全性能。制造工藝中起重要用途的有以下三個(gè)方面：正負(fù)極容量配比、漿料均勻度控制、涂布質(zhì)量控制。

（一）鋰離子電池應(yīng)用于電動(dòng)汽車

現(xiàn)在市面上大量使用的電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池重要有以下幾種類型：鉛酸蓄電池、鋰離子電池、鎳氫電池、鎳鋅電池、鎳鎘電池。表4.1是幾種常用的動(dòng)力鋰電池參數(shù)。

注：電動(dòng)汽車電池組單體數(shù)據(jù)為中航鋰電有限公司生產(chǎn)的SE400AHA，容量標(biāo)定為3小時(shí)率。

由表4.1和4.2可以看出，相較鎳氫電池，鋰離子電池具有相對(duì)較高的工作電壓和較大的比能量，是鎳氫電池的3倍。鋰離子電池還具有體積小，質(zhì)量輕，循環(huán)壽命長(zhǎng)，自放電率低，無記憶效應(yīng)且無污染等優(yōu)點(diǎn)。

目前在電動(dòng)汽車中，應(yīng)用較多的鋰離子電池是磷酸鐵鋰離子電池，它具有磷氧共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，使氧原子不會(huì)被釋放出來，因而熱穩(wěn)定性和安全性較好，同時(shí)價(jià)格相對(duì)便宜。這些因素使磷酸鐵鋰離子電池成為小型電動(dòng)汽車和PHEV動(dòng)力鋰電池首選。

鋰離子電池技術(shù)的先進(jìn)性和在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，已激發(fā)全球范圍內(nèi)的研發(fā)熱潮，因此鋰離子電池勢(shì)必將在電動(dòng)汽車和新能源領(lǐng)域占據(jù)重要位置。目前世界上大多數(shù)汽車公司的首選目標(biāo)和主攻方向，全球已有20余家主流公司進(jìn)行車載鋰離子動(dòng)力鋰電池研發(fā)，如富士重工、三洋電機(jī)、NEC、東芝、美國(guó)江森自控公司等。

國(guó)內(nèi)重要的車用鋰離子動(dòng)力鋰電池生產(chǎn)商有中航鋰電，中信國(guó)安盟固利和萬向集團(tuán)等。北京作為十城千輛的代表城市，2009年開始推廣新能源汽車，2011年北京有50輛北汽福田的迷迪純電動(dòng)出租車開始在延慶試運(yùn)行。汽車采用北京汽車新能源電池科技有限公司所生產(chǎn)的鋰離子動(dòng)力鋰電池，電池容量25kWh，理論續(xù)航里程150km。

（二）鋰離子電池應(yīng)用于新能源發(fā)電

我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量為764MW，到2020年時(shí)將達(dá)到30GW，而光伏發(fā)電將達(dá)到1GW，可再生能源在我國(guó)未來的能源結(jié)構(gòu)中將占有極其重要的位置。風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電具有隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)，當(dāng)風(fēng)電、光電容量所占比例超過10%后，對(duì)局部電網(wǎng)將出現(xiàn)明顯沖擊，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)大規(guī)模惡性事故。因此，研發(fā)高效儲(chǔ)能裝置及其配套設(shè)備，與風(fēng)電/光伏發(fā)電機(jī)組容量相匹配，支持充放電狀態(tài)的迅速切換，確保并網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定已成為可再生能源充分利用的關(guān)鍵。

能源的大規(guī)模儲(chǔ)存能力關(guān)于發(fā)展新能源至關(guān)重要，鋰離子電池在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。首先，可以解決電網(wǎng)用電的峰谷調(diào)節(jié)難題；其次，風(fēng)能、太陽能、潮汐能等清潔能源都是間斷性的能源，鋰電儲(chǔ)能設(shè)備配合上述清潔能源的使用，在發(fā)電時(shí)儲(chǔ)能，在間斷期間釋放能量，能有效地緩解我國(guó)能源緊缺的現(xiàn)狀。下表為鋰離子電池應(yīng)用于電力系統(tǒng)的情況。

鋰離子電池將是繼鎳鎘、鎳氫電池之后，很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)市場(chǎng)前景最好，發(fā)展最快的一種二次電池。

儲(chǔ)能技術(shù)在提高可再生能源利用率以及電力系統(tǒng)各個(gè)方面的都具有一定的應(yīng)用前景。儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)解決電力系統(tǒng)的供電壓力，改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高供電質(zhì)量供應(yīng)了新的思路和有效的技術(shù)支持，也正因?yàn)槿绱耍壳笆澜绺鲊?guó)，特別是發(fā)達(dá)的國(guó)家，都在積極開展各方面的儲(chǔ)能研究，并將其用于電力系統(tǒng)的實(shí)際。鋰離子電池由于兼具高比能量和高比功率的顯著優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ膭?dòng)力鋰電池體系，近年來鋰離子電池的研究和開發(fā)已取得重大進(jìn)展。盡管鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)依然存在一些問題，比如安全性問題，但對(duì)它的應(yīng)用與研究仍在不斷向前發(fā)展，其在電動(dòng)汽車、新能源發(fā)電等方面有較大的應(yīng)用前景。