充電機充電鈦酸鋰儲能系統的應用與攻關
2017-7-19 11:42:52??????點擊：
國家電網從2006年開始關注儲能技術，當時充電機充電蓄電池的選擇不多，我們重點技術攻關的項目是納米充電機充電蓄電池和液硫充電機充電蓄電池。當時沒有考慮用鋰充電機充電蓄電池做儲能，因為當時鋰充電機充電蓄電池的循環壽命是2000~3000次，這在電網應用中就沒什么價值。兩三千次的循環壽命，對電網來說就意味著充電機充電蓄電池在幾年內就要全更換一次，鋰充電機充電蓄電池不適合電網使用。到2009年，了解到充電機充電鈦酸鋰蓄電池的循環壽命可達上萬次，當時覺得不可思議。后來用充電機充電鈦酸鋰蓄電池樣品做測試，在循環1000多次的時候，容量沒有衰減。經過這么多年對充電機充電鈦酸鋰蓄電池的研發、評價和應用，充電機充電鈦酸鋰蓄電池確實具有長壽命的特點。當然它也有很大的缺點，就是太貴。國家電網作為用戶單位，一直努力尋找降低成本的方法。
充電機充電鈦酸鋰蓄電池功率可以做高，但為了追求高功率，就需要將材料納米化，納米化后生產加工等工序的工藝控制要求都很苛刻，從而成本提高。在儲能方面，能否考慮降低充電機充電鈦酸鋰蓄電池高功率的要求，只保留長壽命的特點，以此換來成本的降低。
一、首先，我們研究了充電機充電鈦酸鋰蓄電池的重構技術。
以低成本亞微米鈦酸鋰材料取代納米鈦酸鋰材料，并以此為基礎建立儲能用充電機充電鈦酸鋰蓄電池材料體系。通過實驗，材料粒徑在0.8~1.3μm之間時，既能保證長壽命的特點，又能降低高功率的要求，降低生產工藝控制的苛刻條件，從而降低成本。還可以用性能、制造工藝、成本方面都具有優勢的疊片式軟包裝結構取代環形結構和圓柱形結構。以上兩點是從材料和充電機充電蓄電池結構的重構來降低充電機充電蓄電池成本。
另一方面是充電機充電蓄電池生產工藝上的重構。在電極材料的勻漿環節，將常規攪拌工藝改為高粘度攪拌工藝；在電極制作環節，將進口預涂層集流體改為自主研發的預涂層集流體；在充電機充電蓄電池制作的環境控制環節，可將環境濕度由10%放寬到30%；在充電機充電蓄電池制作工序上，可以取消涂布前卷料烘干和注液前電芯烘干兩個烘干工序。以上針對勻漿、預涂層集流體、環境控制、充電機充電蓄電池制作工序等環節分別進行技術重構，降低充電機充電蓄電池成本。
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序號 |
成本變化項目 |
成本降低百分比 |
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1 |
亞微米鈦酸鋰材料成本降低比例 |
12.0% |
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2 |
導電預涂層鋁箔成本降低比例 |
2.3% |
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3 |
其他原材料（包括正極材料、電解液、隔膜、鋁塑模等）成本降低比例 |
5.1% |
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4 |
攪拌工藝改進后成本降低比例 |
0.9% |
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5 |
環境濕度控制成本降低比例（從10%RH降低至30%RH） |
6.1% |
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6 |
化成工藝優化后成本降低比例 |
1.6% |
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7 |
管理、財務等其他費用降低比例 |
3.9% |
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8 |
電池總成本降低合計 |
31.9% |
二、充電機充電鈦酸鋰儲能蓄電池測評技術
圖中可以看出，鈦酸鋰的循環次數和容量保持率是大大好于磷酸鐵鋰充電機充電蓄電池。據我們的測試經驗來看，循環次數七八千次以前，國內的充電機充電蓄電池和國際上的充電機充電蓄電池區別不大，七八千次以后，國產充電機充電蓄電池的一致性上有差異。這些問題促使我們需要改進評測技術。
充電機充電鈦酸鋰蓄電池快速充電機評價實驗技術研究主要有兩種方法：基于加速老化實驗的快速充電機評價技術研究和基于壽命預測模型的快速充電機評價技術研究。
1、基于加速老化實驗的快速充電機評價技術研究
加速老化評價的關鍵技術在于：對加速老化的動力學條件選擇和邊界條件進行確認，通過建立不同動力學條件下衰減特性之間的等效關系進行快速充電機評價。
在實驗中，通過對充電機充電蓄電池在常規實驗和加速老化實驗條件下的定期表征，找尋不同條件下充電機充電蓄電池特性一致的等效點，建立等效點之間的函數關系（y2=f(y1)）, 從而以加速實驗條件的數據對常規1C、23℃實驗條件下的數據進行預測和估算。
通過在不同倍率、不同溫度下進行等效實驗的快速充電機評價方法所用的時間進行對比可以看出，等效實驗最多可以節省一半的時間，但這時間也比較長。用加速的方法進行快速充電機評價還是不太理想。于是我們考慮用壽命預測模型的方法進行快速充電機評價。
2、基于壽命預測模型的快速充電機評價技術研究
壽命預測模型有三種方法：
（1）直線外推法：使用較為普遍，方法簡單但不考慮充電機充電蓄電池的電化學非線性衰退特點。
該方法以1000次循環實測數據，針對3000次循環以內的容量預測較為準確，由于未考慮循環過程中電化學極化等因素造成的非線性衰退等因素，長期循環預測的準確度較差，呈明顯的離散趨勢。
（2）全壽命周期擬合法：需要全壽命周期實測數據進行擬合，往往僅針對一款充電機充電蓄電池有效。
該方法以1000次循環實測數據，在前3000次循環擬合較為準確，之后的偏差率較大，主要原因是不同充電機充電蓄電池之間差異性造成性能衰退趨勢不同。
（3）電化學模型擬合法：考慮電化學極化等因素，輔以實測數據修訂。
該方法以1000次循環實測數據，在5000次循環周期內，預測偏差率較小，這種方法是可取的。
總體來說，基于實驗等效的快速充電機評價方法周期相對較長，如以5000次作為循環壽命預測目標，最多只能縮短原先時間的50%左右。電化學模型擬合法由于僅需1000次循環實測數據作為模型基準數據或修正數據，因此如以5000次作為循環壽命預測目標，能縮短原先的時間的80%。
未來，需要探索更加細致的加速老化邊界條件，同時將快速充電機評價方法拓展到不同廠家的充電機充電鈦酸鋰蓄電池，或其他類型的儲能充電機充電蓄電池。充電機充電鈦酸鋰蓄電池壽命受日歷時間影響較大，接下來需要尋找日歷時間與加速老化的關系。對現有的電化學模型進行優化，與未來更細化的邊界條件結合，提高鋰離子儲能充電機充電蓄電池快速充電機評價精度，進一步完善檢測方法和規范，對標準進行修編。
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