国际电力储能技术分析——锂离子电池

一、技术原理

锂离子电池分为液态锂离子电池（LIB）和聚合物锂离子电池（PLB）两类。它以含锂的化合物作正极，如钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）或磷酸铁锂（LiFePO4）等二元或三元材料；负极采用锂-碳层间化合物，重要有石墨、软碳、硬碳、钛酸锂等；电解质由溶解在有机碳酸盐中的锂盐组成的。其工作原理如图6所示，充电时，锂原子变成锂离子通过电解质向碳极迁移，在碳极与外部电子结合后作为锂原子储存，放电的时候整个过程可逆。

与其他传统蓄电池相比，锂离子电池具有比能量高、额定电压高、大电流放电能力强、高功率承受力、自放电率低等优点，其比能量（200Wh/kg）达到了铅酸电池的5倍左右，单体工作电压为3.7V或3.2V，循环寿命在浅充放模式下可以达到3000~5000次，储能效率可以达到90%以上。但锂离子电池耐过充/放电性能差，组合及保护电路复杂，成本相有关铅酸电池等传统蓄电池偏高，这些因素制约了锂离子电池在大型动力和储能电池领域的应用。随着新能源汽车、可再生能源及分布式电站技术的发展，锂离子电池在新能源汽车、可再生能源接入及小型分布式电站方面的应用受到越来越多的关注。

二、关键技术

电极材料是锂离子电池的重要关键技术，与电池成本和性能密切相关。钴酸锂离子电池由于材料价格昂贵、安全性差而被放弃用于大功率大容量的应用。锰酸锂离子电池有低成本、高性能的优势，产品安全性较钴酸锂离子电池高，是热门的电动汽车电池备选技术。磷酸铁锂离子电池具有较稳定的氧化状态，安全性能好，高温性能好，同时又具有无毒、无污染、原材料来源广泛、价格便宜等优点，是目前最热门的电动汽车电池技术之一，也是电力储能系统的热门候选技术之一。有关用于大规模储能的锂离子电池，其关键技术还包括电池系统总体设计技术、电池系统的集成和成组技术、电池组测试技术等。

三、应用现状

锂离子电池的概念是在1960年代提出的，当时贝尔实验室开发出一种可以替代锂金属电极的碳阳极，从而使这个想法变成了现实。自1991年索尼公司成功实现锂离子电池商业化后，锂离子电池在电子产品领域得到了广泛的应用。近年来，随着材料和电池技术的发展，锂离子电池在电动汽车、储能电池、等领域的应用越来越受到关注。目前，日本的索尼、三洋（已和松下合并）、日产AESC公司、韩国三星SDI和LG化学等都在大力发展锰酸锂离子电池。美国的A123公司在2008年率先开发出2MW的锂离子储能电池，AltairNanotechnologies公司已建立1MW/250kWh的拖车式锂离子电池储能系统。目前，全球已有约18MW锂离子电池储能系统并网运行，用于工程示范或电网服务。以比亚迪、力神、比克等公司为代表的我国公司积极投入了锂离子电池的研发和生产，并取得良好进展。国家电网公司在上海世博会期间建成了100kW锂离子电池示范系统并网运行，由国网公司电力科学研究院主持、发改委投建的张北国家风电监测研发中心，拟用18MW锂离子电池试验储能对风电场发电及其电网接入的用途。南方电网已建成4MW锂离子电池储能示范电站，其重要功能定位为移峰填谷。

四、发展趋势

在锂离子电池研究方面，重要是通过控制粒子的尺寸、组份、结构及形态，以提高电池的电极及电解质的性能。在电极材料研究方面，重要是与碳涂层技术相结合，将电化学活性材料降至亚微米或更小尺寸以实现核壳形态的电极。其他新技术，包括纳米合金负电极锂离子电池、基于硅的锂离子电池、有机电极材料锂离子电池以及锂空电池也陆续出现。