锂离子电池储能系统的优势和应用

锂离子电池（Lithium-ion Battery）在充电时，锂离子从正极脱嵌，穿过电解质和隔膜，嵌入到负极材料之中，放电时则相反。近年来锂离子电池作为一种新型的高能蓄电池，它的研究和开发已取得重大进展。但由于锂离子电池是一个涉及化学、物理、材料、能源、电子学等多学科的交叉领域，研制中还存在许多问题。运用传统的电化学研究方法结合现场、非现场的谱学方法等多种检测手段，对锂离子电池体系进行评价、优化设计，将会有力地推动锂离子电池的研究和应用。

锂离子电池具有单体电压水平高、比能量大、比功率大、效率高、自放电率低、无记忆效应、对环境友好等特点，是具有实现规模化储能应用潜力的二次电池。但锂离子电池在过充、短路、冲压、穿刺、振动、高温热冲击等条件下，极易发生爆炸或燃烧等不安全情况。其中，过充电是引发锂离子电池不安全行为的最危险因素之一。

1.应用领域

近年来，锂离子电池各项关键技术尤其是安全性能方面的突破以及资源和环保方面的优势，使得锂离子电池产业发展速度极快，在新能源汽车、新能源发电、智能电网、国防军工等领域的应用越来越受到关注。大规模锂离子电池可用于改善可再生能源功率输出、辅助削峰填谷、调节电能质量以及用作备用电源等。随着锂离子电池制造技术的完善和成本的不断降低，锂离子电池储能将具有良好的应用前景。

2.技术成熟度

对电极新型化学材料的研究是锂离子电池技术的研究重点。近年来国际上锂离子电池重要部分（如电极、电解液和隔膜）的关键材料都有很大程度的改进和提高。锂离子电池负极材料主要是石墨、电解液和隔膜，选择比较单一，因此主要通过正极材料名称区分锂离子电池类型。其中，正极的改进经历了从较昂贵的钴酸锂到较便宜、也较稳定的磷酸铁锂和锰酸锂的变化。磷酸铁锂以其结构稳定、成本低、安全性能好、绿色环保等优势成为近年来研究的热点。此外，具有较高充放电速率的纳米磷酸铁锂技术（美国A123公司）及钛酸锂技术（Altair nano公司）的研究已获得突破，并实现了商业化运作。

国内锂离子电池产业的发展得益于手机、笔记本电脑市场的蓬勃发展，随着新材料技术的突破与制造工艺技术的进步，以及电动交通运输工具的兴起与推广，也将继续推动了锂离子电池技术的商业化发展。

3.产业化进程

目前已实现产业化的锂离子电池包括钴酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池和三元材料电池等，它们的主要参数见表4-3。

表4-3 产业化锂离子电池参数

（续）

当前已趋于成熟的小型锂离子电池产业，多服务于小型电器、电动工具以及电动交通工具，而规模化储能型锂离子电池的研发规模离产业化还有一定距离，正逐渐成为当前电池产业领域关注的焦点。目前，美国、日本、中国等国家均已建成兆瓦级锂离子电池储能应用示范项目。

（1）美国

图4-13 美国A123公司2MW锂离子电池储能系统

美国电力科学研究院（EPRI）于2008年进行了磷酸铁锂电池储能系统的相关测试工作；2009年开展了锂离子电池用于分布式储能的研究和开发，包括2kW/4kW·h、50kW/200kW·h、100kW/400kW·h的锂离子电池储能系统；同年还开展了兆瓦级锂离子电池储能系统的示范应用，主要用于电力系统频率和电压控制以及平滑风电功率输出。2008年11月美国A123公司率先开发出了2MW锂离子储能电池（见图4-13），并应用于AES公司的H-APU（Hybrid ancillary power unit）系统，实现了电能质量调节并充当备用电源，其电池效率可达90%。2011年1月，美国AES公司Westover 20MW储能项目一期8MW锂离子电池储能系统建成（见图4-14）。该项目是美国首个在公共设施应用并进行商业化运营的电池储能项目，主要用于削峰填谷，提高电网接纳可再生能源的能力。2011年10月，美国西弗吉尼亚州Laurel山区97.6MW风电场配置的32MW锂离子电池储能系统（A123公司提供，见图4-15）投入运营（运营方为美国区域电网运营商PJM公司），该系统主要用于平滑可再生能源功率输出。

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图4-14 Westover 20MW储能项目一期工程电池储能系统

图4-15 美国西弗吉尼亚州Laurel山区32MW锂离子电池风储项目

（2）日本

日本将磷酸铁锂电池作为能量型储能电池开展了大量研究与应用，并由日本东芝公司开发出可快速充放电的功率型锂离子电池，主要用于大功率及长寿命的产业设备，特别是在需要快速功率切换的可再生能源发电市场。但目前该电池技术尚没有规模化应用的实例，技术上还有待完善和考验。

（3）国内

直属国家电网公司的中国电力科学研究院早于2007年即建立了锂离子电池研究与测试平台（见图4-16），能够对不同生产厂家、不同类型的锂离子电池进行全面的特性实验研究，并开展了20kW以下级别的锂离子电池成组的研发，为锂离子电池大规模成组奠定了基础。同时，还提出了不同梯级应用场合对电池性能的要求、影响因素及相关表征量，建立了锂离子电池梯级利用的检测和评价体系。2008年，中国电力科学研究院在张北国家风电研究检测中心建立了电池特性实验室（张北储能实验基地，见图4-17），并重点围绕锂离子电池成组技术、锂离子电池系统实验与测试技术、锂离子电池储能系统集成技术以及锂离子电池储能系统应用模式和接入条件开展工作；并于2010年开展了1MW锂离子电池储能系统与风力发电机组的联合运行实验，以评估锂离子电池在可再生能源发电接入方面的应用。2011年国家电网公司建设了世界首个风光储输示范项目，规划建设风电500MW、光伏发电100MW、储能系统110MW，项目建成投产后将成为全世界最大的“风-光-储-输”示范基地，如图4-18所示。储能电站将示范不同技术路线的化学储能技术，以锂离子电池为主，液流和钠硫电池为辅，同时预留空间，试验探索不同储能技术的性能，通过利用大规模储能监控系统对上述设施进行统一充放，实现平滑风光功率输出、跟踪风光计划发电、辅助削峰填谷、参与系统调频四种功能。

图4-16 中国电力科学研究院张北储能实验基地

2009年7月，比亚迪公司率先建成我国第一座兆瓦级锂离子电池储能电站。该储能电站可采用削峰填谷模式运行，即在用电低谷期储能电池充电，在用电高峰期储能电池放电。2011年10月，南方电网公司建成了3MW×4h磷酸铁锂离子电池储能示范电站（见图4-19），以双回10kV电缆分别接入深圳110kV碧岭站，主要功能定位为削峰填谷，以达到提高主变负荷率，降低峰谷差的目的。

图4-17 中国电力科学研究院张北储能实验基地

图4-18 张北风光储输示范工程效果图

另外，东莞新能源科技有限公司（ATL）、中航锂电（洛阳）有限公司、万向电动汽车有限公司、天津力神电池股份有限公司也在进行锂离子电池储能系统的研发、测试及工程应用。

图4-19 南方电网兆瓦级宝清储能电站