新能源发电的应用与发展前景

新能源发电的应用与发展前景

0新能源电站中储能电池采用的锂电池类型在13号期间，国家发展和改革委员会、国家能源管理局以及其他五个部委联合发布的《关于促进能源技术和工业发展的指导意见》（发改能源[2017]1701号）明确了能源技术在构建“低碳、安全、高效”现代能源体系中的战略意义。它促进了能源行业的供给侧改革，促进了能源生产和使用方式的改革。据中国能源研究会储能专业委员会/中关村储能产业技术联盟(CNESA)全球储能项目库的不完全统计，锂电池是电化学储能的主要技术形态，截至2020年底，其占比达92%。用于新能源电站的储能电池为能量型锂电池，该类锂电池的充放电倍率较低，一般在1C及以下，在一些离网型的新能源电站项目中，锂电池的充放电倍率甚至会低至0.1C(储能时长为10h)，此类锂电池注重持续放电、安全性及循环寿命等特性。目前，国内外新能源电站中储能电池采用的锂电池类型并不相同，国内储能电池主要采用磷酸铁锂电池；而在国外，特别是韩国和美国，储能电池主要采用的是三元锂电池中的镍钴锰酸锂电池。因此，新能源电站中储能电池用锂电池选用合理的技术路线至关重要。由于正极材料的特性决定了锂电池的性能，因此，本文结合磷酸铁锂电池和三元锂电池正极材料的特征，对这2种锂电池的性能和特点进行了对比分析，并对未来新能源电站中储能电池的发展前景进行了展望。1正、电极之间的映射锂电池由正极、负极、电解质及隔膜组成。锂电池主要是通过锂离子在电池正、负极之间来回脱出、嵌入来实现充、放电。当对锂电池充电时，电池的正极上有锂离子脱出，脱出的锂离子经过电解液后迁移到负极，并嵌入到负极材料的间隙中；当锂电池放电时，嵌在负极材料中的锂离子脱出，迁移回正极。1.1磷酸铁氧电池1.1.1pnma空间群磷酸铁锂(LiFePOLFP为有序的橄榄石结构，属于Pnma空间群LFP材料的高温稳定性明显优于其他材料，橄榄石结构晶格中，P—O形成的强共价键形成了PO由于LFP电池在充放电过程中，其正极材料LFP会转化为磷酸铁(FePO1.1.2充电原理LFP电池在充放电过程中发生的电化学反应主要是在LiFePO充电时：放电时：1.23-电池1.2.1基本结构根据正极材料的类型不同，三元锂电池可分为镍钴锰酸锂(LiNiNCM电池的正极材料为α-NaFeO1.2.2储能电池的特性三元锂电池在充电过程中的电化学反应较为复杂，不同的电位均存在不同的反应过程，随着电位的升高，O离子的平均价态有所降低，部分O离子从晶格结构中逃逸，使三元锂的化学稳定性遭到破坏，而且如果Li以常见的NCM111为例进行分析，其在充放电过程中的电化学反应式可表示为1)能量密度。电池的能量密度是指电池单位体积或单位质量所释放出的电能，其很大程度上是由电池的正、负极材料的性能决定的。理论上，NCM电池的质量能量密度约为LFP电池的1.5～1.8倍2)充放电倍率。目前市场上主流的LFP电池的充放电倍率都在1C及以下，这主要是出于电池的性能和循环寿命考虑。而NCM电池的充放电倍率大多为1～2C，但出于安全性考虑，同家公司生产的充放电倍率为2C的NCM电池在质量能量密度、循环寿命等方面的性能通常都会比充放电倍率为1C及以下的NCM电池明显下降，有些NCM电池的质量能量密度甚至比LFP电池的低。储能电池用锂电池常见的充放电倍率有0.25C(4h储能时长)、0.5C(2h储能时长)、1C(1h储能时长)。随着锂电池成本的下降，目前通常采用1C超配储能电池用锂电池的方式来达到早期项目中充放电倍率为2C的储能系统的功率要求。该方法更安全，且锂电池的使用寿命更长；同时由于充放电倍率为1C的储能系统可以有调频、峰谷套利等多种盈利模式，比充放电倍率为2C的储能系统更具有经济性。近几年，出于安全性、成本、使用效果等多方面因素的考虑，充放电倍率为2C的LFP电池和NCM电池都已不再是市场的主流产品。3)循环寿命。在环境温度为25℃，充放电倍率为1C，电池剩余电量(EOL)为80%的条件下，电芯容量为260Ah的LFP电池的循环寿命为6000次；上述其他条件不变，EOL为60%的条件下，电芯容量为260Ah的LFP电池的循环寿命可达7000次以上。而在相同工况下，NCM电池的循环寿命仅约为LFP电池的1/2。这主要是因为LFP电池的放电电压平台平稳，充放电过程中无相变，而NCM电池的放电电压平台运行不平稳，充放电过程中存在相变，易造成其电芯容量衰减，缩短循环寿命。而在低充放电倍率(0.5C以下)时，NCM电池的循环寿命可以有明显提高，达到5000～6000次。目前国内外新能源电站要求其储能电池采用的锂电池的循环寿命为5500次或使用年限为15年(1天1次循环的工况下)，而LFP电池可以很好地满足循环寿命的要求。4)安全性。锂电池中的热失控现象是一种电池放热过程中热量的链式积累，而后伴随电池温度升高，在产热强度和数量完全压制散热强度的情况下出现的爆炸和起火现象。在短路、局部高阻抗过热、挤压、穿刺、碰撞等条件下，NCM电池的极限温度极易达到200～300℃，会产生大量氧气，易着火。而LFP电池的热稳定性极好，在出现热失控现象时，其晶体结构中的氧是以磷氧四面体的结构存在，不会释放氧气，因此安全性大幅优于NCM电池。在新能源电站用储能电池中不太可能发生挤压、碰撞等极端工况，但新能源电站用储能电池的电芯容量要远高于乘用车动力电池的电芯容量，且其在温度控制方面更为困难；另外，新能源电站的安全性要求也更高。因此从安全性角度考虑，新能源电站用储能电池更倾向于LFP电池。5)工作温度。文献综上所述可以发现，新能源电站中储能电池采用LFP电池更为适合。3基于lfp的lfp电池新能源电站用储能电池在国外起步较早，早期采用的储能电池主要是韩国公司生产的NCM电池，市场占有率较高。但基于采用NCM电池的电站近年来在韩国发生了多次安全事故，同时，随着2021年国内企业对LFP电池技术路线的大量投入，LFP电池的成本显著降低，国内外对LFP电池的安全性、经济性的认可度越来越高。可以预见，随着各企业的持续投入，LFP电池的性能、成本优势会进一步扩大，成为新能源电站用储能电池中的主流技术路线。4p电池的运行性能本文以目前电化学储能中2种主流的锂电池——LFP电池和NCM电池为例进行了性能对比分析，结果发现：LFP电池在质量能量密度和低温性能上稍弱于NCM电池，但其在安全性、循环寿命等方面有明显优势。与乘用车动力电池用锂电池不同，新能源电站用储能电池对安全性和循环寿命的要求更高，且运行工况相对温和，对空间要求不高，因此采用LFP电池更为适合。Li(Ni,Co,Mn)O2中，各过渡金属离子的作用各不相同2新能源电站中储能电池采用的锂电池性能对比由于正、负极材料与电解质材料不同，以及工艺上的